28 sept. 2012

EL DESARROLLO INADECUADO, EL ENEMIGO NÚMERO SEIS DEL CONSUMO IV

...Continúo con el hílo de hace 3 posts.

¿Por qué a baja velocidad hay que llevar el coche “muerto” y a alta velocidad mucho más revolucionado?

La contestación a esta pregunta es bastante intuitiva, pero para evitar que nadie se despiste me voy a extender un poco. Básicamente se debe a dos causas: la potencia necesaria para circular aumenta significativamente con la velocidad y la potencia necesaria para acelerar aumenta linealmente con la velocidad.

La potencia necesaria para circular a velocidad constante tiene tres términos:
  • La resistencia aerodinámica (explicado es este post), proporcional a la velocidad al cubo, es decir V3.

  • La resistencia de rodadura (explicado es este post) casi proporcional a la velocidad.

  • La resistencia debida a subir una pendiente que trataré más adelante, que es proporcional a la velocidad.
Además podemos añadir un cuarto término debido al consumo de los elementos auxiliares (básicamente aire acondicionado y alternador), pero este término es bastante independiente de la velocidad.

Ejemplo para mi coche, circulando en llano con el aire acondicionado conectado:

Velocidad Potencia
auxiliar
Potencia
rodadura
Potencia
aerodinámica
Potencia
total
20Km/h 2KW 0,8KW 0,1KW 3KW
120Km/h 2KW 6,2KW 19KW 27KW
NOTA: en realidad no se exactamente lo que consume el climatizador, el alternador y la dirección asistida de mi coche. Pero 2KW parece un valor conservador si está conectado el aire acondicionado.

Es decir, incluso con el aire acondicionado conectado se requiere casi 10 veces más potencia para circular a 120Km/h que a 20Km/h. Esto explica por que el coche con el motor totalmente “muerto” puede impulsar el coche a velocidades muy bajas.

Alguien podría decir que esto no es correcto, por que es muy raro circular a 20Km/h, lo normal cuando se va muy despacio es que estemos acelerando, y para eso hace falta más potencia. Esta confusión se debe a igualar fuerza con potencia.

Es cierto que para acelerar un coche hay que ejercer la misma fuerza independientemente de la velocidad:

F = m’×a:

Donde:
F es la fuerza
a es la aceleración
m’ es la masa teniendo en cuenta masas rotatorias. Se explica en este post.

Fijarse en la fuerza está bien si te mueves en un avión con motor a reacción. Los motores a reacción tienen un empuje más o menos constante en un rango de velocidades relativamente amplio. Si embargo, en un coche con un motor de combustión alternativa y un cambio de marchas, es mejor fijarse en la potencia. Y la potencia es la fuerza por la velocidad. Por eso a 120Km/h se requiere seis veces más potencia que a 20Km/h para una misma aceleración. Esto explica por que en primera o segunda marcha el coche acelera lo suficiente aunque el motor esté “muerto”, y en la marcha más larga con el motor poco revolucionado un adelantamiento en carretera requiere una eternidad de tiempo.

Otra forma de ver lo que os comento es con los consumos a muy baja velocidad:

Marcha Velocidad Régimen motor Consumo
9Km/h 1050rpm 9,4l/100Km
15Km/h 980rpm 5,4l/100Km
20Km/h 1310rpm 5,2l/100Km
25Km/h 1630rpm 4,4l/100Km
30Km/h 1250rpm 4,0l/100Km
NOTA: consumos medidos con el ordenador del coche. En las mismas condiciones y limitaciones que explicaba en el primer post de esta serie.

Si nos quedamos sólo en la superficie, nos quedamos con la idea de que un coche sólo con motor térmico tiene un rendimiento penoso por debajo de 15Km/h, y que si quieres consumir poco necesitas un coche hibrido o eléctrico.

Pero a mi me gusta darle otra vuelta de tuerca. En realidad mi coche parado consume un día de verano al sol aproximadamente 0,8l/h (sólo hay que ver lo que marca el ordenador de abordo). De este consumo aproximadamente 0,3l/h son debidos al aire acondicionado, y 0,5l/h al consumo necesario para mantener el motor al relentí. Lo interesante es que el coche es capaz de moverse a baja velocidad casi sin consumir una gota más de combustible. Para ello voy a comparar esta burda aproximación con el consumo real:

NOTA: el consumo al relentí no es más que el cálculo de cuantas horas se tarda en recorrer 100Km y multiplicar por 0,8l/h, es decir 0,8×100/V.

Esta gráfica es muy visual:
  • En primera y segunda marcha si nos movemos muy cerca del regime del relentí (aproximadamente 800rpm en mi coche) el coche casi no consume una gota de combustible para moverse. Es decir, da lo mismo estar parado en un semáforo, que circular a 15Km/h, el gasoil que consumo es el necesario para estar fresco y escuchar la radio. (A 9Km/h se consumo un 6% más y a 15Km/h se consume un 1% más).

  • En primera y segunda marcha si nos alejamos del régimen del relentí el consumo aumenta debido a que aumenta el rozamiento del motor, estamos bombeando aire para nada. Es exactamente lo mismo que si en punto muerto aceleras el motor, el consumo aumenta (A 20Km/h se consume un 30% más y a 25Km/h se consume un 37% más).

  • En tercera ya se requiere potencia para mover el coche. Por ejemplo a 30Km/h la suma de la resistencia aerodinámica y de rodadura aumenta un 66% respecto a 20Km/h, vencer esa resistencia ya no puede salir gratis. Por eso se consume un 48% más que al relentí.

Conclusión final:
  • Si te mueves por debajo de 30Km/h (1ª y 2ª marchas): no solo puedes llevar el motor “muerto”, sino que es recomendable desde el punto de vista del consumo. Y lo mejor es que circular sale “gratis” y si pisas el acelerador el coche tiene capacidad de acelerar.

  • Si te mueves por encima de 30Km/h hay que ir poco a poco revolucionando más y más el motor (según aumenta la velocidad), tanto para vencer la resistencia al avance, como para disponer de algo de potencia de reserva que nos permita acelerar.

Por eso cuando conduzco mi coche (en llano) y necesito acelerar, engrano 1ª y 2ª a 1000rpm, y no engrano 6ª a menos de 1550rpm.

23 sept. 2012

DECÁLOGO PARA REDUCIR EL CONSUMO DE COMBUSTIBLE

Más o menos por orden de importancia:
  1. No uses el coche, o en su defecto comparte el coche.
    No requiere explicación es una obviedad. Aunque lo comenté este post.
  2. Compra un coche que consuma poco. Y en particular:
    En esta serie hablo sobre la importancia del coche: I, II, III, IV y V.
    1. Que sea razonablemente ligero.
      En esta serie hablo sobre la masa del coche I, II y III.
    2. Que sea razonablemente aerodinámico.
      En este post , también referenciado en el punto 3, se aclaran algunas salvedades.
    3. Que tenga una potencia razonable.
      En esta serie hablo sobre por qué un motor muy potente es negativo para el consumo, y como mitigarlo: I y II. Si buscar un coche muy potente puede tener interés un coche eléctrico.
    4. Que tenga unas ruedas razonablemente finas, y con resistencia de rodadura razonablemente baja.
      En esta serie hablo sobre la resistencia de rodadura y los neumáticos: I y II.
    5. Elige una buena propulsión según tus condiciones de circulación:
      1. Para circulación extraurbana: que tenga un motor turbodiésel moderno y al menos 6 marchas.
        En esta serie hablo sobre los motores diésel: I, II, III, IV y V.
      2. Para circulación urbana: que tenga un sistema de propulsión híbrida.
      3. Para quien haga sólo desplazamientos de menos de 100Km y tenga garaje privado (típicamente para familias con dos coches y vivienda unifamiliar): un coche eléctrico.
        En este post hablo sobre cómo conducir un coche eléctrico, y en esta serie hablo sobre los coches eléctricos: I, II, III y IV.
  3. En conducción extraurbana: circula razonablemente despacio en autopista.
    En este post hablo sobre la resistencia aerodinámica. También es interesante este post.
  4. Circula como si no tuvieras freno. O en términos más formales aprovechar la energía cinética del coche.
    En esta serie hablo sobre el freno y la energía cinética: I y II.
  5. Utiliza la marcha más larga posible, salvo que el régimen del motor sea exageradamente bajo. Evita circular a las velocidades en las que el motor funciona demasiado revolucionado.
    En esta serie hablo de este tema: I, II, III y IV.
  6. Procura elegir el desplazamiento que mejora el consumo. Ejemplos:
    Se comenta marginalmente en muchos posts, especialmente en el post sobre uso del freno. Espero encontrar tiempo más adelante para tratar algún detalle más.
    1. Intenta evitar hora punta y días de mayor tráfico.
    2. Intenta circular con luz y horas de más calor.
    3. Elige recorridos que evitan los semáforos.
    4. Elige recorridos más cortos.
    5. Evita ciertos puertos de montaña.
    6. Evita la travesía de ciertos pueblos y áreas urbanas.
  7. Mantén el coche correctamente. En particular utiliza la máxima presión de inflado recomendada por el fabricante, y monta ruedas con resistencia de rodadura razonablemente baja.
    Este tema también se trata en el post sobre la resistencia de rodadura.
  8. Compra el combustible a buen precio.
    Ver este post.
  9. Utiliza racionalmente los elementos que aumentan el consumo:
    1. Aire acondicionado.
      En este post explico cómo utilizar el aire acondicionado. En esta serie se valora el impacto del aire acondicionado en el consumo: I, II, III y IV.
    2. Circular con las ventanillas bajadas, baca y otros accesorios que aumentan la resistencia aerodinámica.
    3. Elementos que consumen electricidad. Especialmente las lunetas térmicas, pero también cualquier otro accesorio como las luces.
  10. Gestiona correctamente la conducción con pendientes.
    En este post se explica cómo se debe conducir en pendiente para minimizar el consumo. Si alguien quiere profundizar en las explicaciones puede leerse la siguiente serie: I, II, III, IV, V, VI, VII y VIII.
  11. Extra para fanáticos de reducir el consumo: utiliza el punto muerto cuando sea beneficioso.
    En este post se explica como utiizar el punto muerto en ciudad y en este post en carretera. Si alguien quiere profundizar en las explicaciones puede leerse la siguiente serie:I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX y X.
NOTA: según escribo nuevos posts en el blog, voy añadiendo nuevos links al decálogo.

21 sept. 2012

¿A QUÉ VELOCIDAD DEBO CIRCULAR POR AUTOPISTA?

En las vías de al menos dos carriles en cada sentido tenemos la libertad de elegir la velocidad de circulación en un rango bastante amplio de velocidades. Como ya vimos en el post de la velocidad y confirmamos en el post sobre los desarrollos, la velocidad del mínimo consumo es muy baja. Sin embargo no tiene sentido circular en autopista o autovía a 70Km/h, aunque se reduzca el consumo, ya que los tiempos de viaje se eternizan.
NOTA: normalmente tampoco tiene sentido circular por debajo de 90Km/h desde un punto de vista de la seguridad, ya que los vehículos pesados nos adelantarán. Además, tenemos que tener en cuenta el trastorno que causamos al resto del tráfico.

Tampoco tiene mucho sentido circular a 180Km/h, y no sólo porque es ilegal y peligroso, también porque hay que tener bastante dinero para que te compense. Aunque obviamente siempre hay algún conductor que está dispuesto a pagar lo que haga falta por ir rápido. Pero para la mayoría de nosotros existirá una velocidad intermedia que será la mejor para nuestras condiciones de contorno.

La velocidad a la que circulas depende de una serie de factores difíciles de cuantificar:
  • La carretera (tanto estado del firme como las curvas).
  • El tráfico.
  • Los límites legales, y las consecuencias si sobrepasas esos límites.
  • Las condiciones meteorológicas (viento, lluvia, luz…)
  • El estado del conductor. (Cansado, despejado, de tertulia con el copiloto…)
  • El coche en el que circulas.
  • El ruido y las vibraciones.
  • ...
Y de cualquier otro factor que se os ocurra, siendo para mí la seguridad el principal límite a la velocidad que circulo. Por ejemplo en mi caso en España mi velocidad de crucero es el límite de multa. Excepcionalmente puedo ir algo más rápido, por ejemplo en viajes de empresa por Alemania, en los que el combustible lo paga la empresa, circulo a 140Km/h de crucero. Legalmente podría circular mucho más rápido, pero no me compensa, apenas ahorro tiempo y es más incómodo; y sobretodo más inseguro, especialmente con un coche pequeño de alquiler.

Lo que os voy a explicar es como valorar económicamente si te compensa ir más rápido o más despacio. Luego que cada uno tenga además en cuenta los otros criterios mencionados para tomar una decisión.

Paso 1:
Datos de partida:
  • Velocidad a la que circulo en estos momentos. Por ejemplo 120Km/h.

  • Cuanto estoy dispuesto a pagar por ahorrarme una hora de coche, y cuanto estoy dispuesto a ahorrarme por tardar una hora más. Por ejemplo 10€/h

  • Cuánto cuesta 1 litro de combustible. Por ejemplo 1,38 euros.

  • Cuanto consume mi coche a cada velocidad. Por ejemplo para mi coche estimo los siguientes consumos (velocidad real, medida con GPS)

Km/h l/100Km
80 4,0
90 4,6
100 5
110 5,5
120 6,1
130 6,8
140 7,7
NOTA 1: estos consumos son más o menos los que obtengo circulando por carreteras españolas, con su tráfico y sus pendientes. Es un valor medio válido para condiciones benignas veraniegas. Varía con la época del año, la carretera, el tráfico, el viento etc.

NOTA 2: no tiene sentido circular a menos de 80Km/h, porque aunque proporcionalmente se puede ahorrar mucho combustible (por ejemplo aproximadamente un 15%), en absoluto no es mucho (del entorno de 0,5l/100Km), y en cambio la duración del viaje se eternizan.


Paso 2: En la práctica cuando se circula muy rápido tenemos dos problemas:
  • La velocidad media es menor que la velocidad de crucero por los siguientes efectos:
    • Las curvas. (Obviamente sólo en autopistas con curvas cerradas).
    • Las pendientes. (Obviamente sólo en autopistas con pendientes elevadas).
    • El tráfico.
    • Tramos limitados a menor velocidad.

  • El tiempo de repostar empieza a notarse, ya que el depósito se acaba rápido.
El efecto de repostar es significativo con un depósito pequeño y el consumo muy elevado (velocidades muy altas). Por ejemplo con un depósito de 35litros, y un consumo de 10 litros, cada 3 horas hay que parar a repostar. Si tardas de media 7 minutos en repostar resulta que el 4% del tiempo lo pierdes para llenar el depósito. Para el caso de mi coche circulando hasta 140Km/h este efecto lo voy a despreciar.

Sí que voy a tener en cuenta la pérdida de velocidad media:

Km/h crucero Km/h reales
80 81
90 90
100 100
110 110
120 119
130 128
140 137
NOTA: cuando se circula despacio el coche se acelera en una cuesta abajo incluso sin pisar el acelerador. Cuando bajo algunas cuestas es normal que "lance" el coche por ejemplo a 120Km/h para reducir el consumo. Esto hace que aunque haya algo de tráfico y tramos limitados a 100Km/h a velocidades bajas (por ejemplo 110Km/h) consiga de media la velocidad de crucero. En el caso hipotético de 80Km/h he considerado que se gana 1Km/h.

Paso 3
Calcular el coste de ir más rápido y la ganancia de ir más despacio. Os lo muestro en una tabla con todos los pasos para que no haya confusión en los cálculos:

Velocidad
crucero
(Km/h)
Consumo
(l/100Km)
rend. Velocidad
real
(Km/h)
Tiempo
Recorrer
100Km (h)
Diferencia
de tiempo (h)
Diferencia
consumo
(l/100Km)
Diferencia
consumo
(euros/100Km)
Perdida/
ganancia
(euros/hora)
80 4 31% 81 1,23 0,39 -2,1 -2,90 7,4
90 4,6 32% 90 1,11 0,27 -1,5 -2,07 7,6
100 5 33% 100 1,00 0,16 -1,1 -1,52 9,5
103 5,15 33% 103 0,97 0,13 -0,95 -1,31 10,0
110 5,5 35% 110 0,91 0,07 -0,6 -0,83 12,0
120 6,1 36% 119 0,84 0,00 0 0,00 N/A
130 6,8 36% 128 0,78 -0,06 0,7 0,97 16,3
140 7,7 36% 137 0,73 -0,11 1,6 2,21 20,0
NOTA: he calculado el rendimiento global del conjunto motor transmisión para chequear que los consumos supuestos son razonables. El rendimiento que muestro es la relación entre la energía del combustible y la resistencia circulando en llano.

El ahorro/coste de cambiar la velocidad se puede representar en una gráfica:


En rojo se representa cuanto hay que pagar en combustible para llegar una hora antes, en verde se representa cuanto nos ahorramos en combustible por tardar una hora más.

Veamos qué conclusiones se pueden sacar:

Los extremos no funcionan. Cuando se circula muy despacio los tiempos para hacer un viaje se eternizan. Por ejemplo a 80Km/h el consumo es muy bajo, y la velocidad media incluso es superior a la velocidad de crucero, pero el ahorro por hora de retraso es ligeramente peor que circulando a 90Km/h.

Lo mismo ocurre si se circula muy rápido. Por ejemplo si circulo a tope: en el caso de mi coche puede ser 170Km/h (hay que dejar un margen para poder acelerar, subir pendientes y cuidar mínimamente el motor). A esa velocidad (nunca lo he probado) cabe esperar que el rendimiento del motor empeore un poco, ya que el régimen es elevado (3260rpm) y se usa con más frecuencia el freno. Un consumo razonable pueden ser 12l/100Km, además la velocidad media se alejará de la velocidad de crucero (por ejemplo 160Km/h). Con estos supuestos cada hora que se ahorra respecto a circular a 120Km/h cuesta casi 40 euros de combustible. Incluso circulando en Alemania, en un tramo sin límite de velocidad, hay que tener bastante dinero para que te compense ir tan rápido con mi coche.

Para unas velocidades intermedias (por ejemplo entre 100 y 110Km/h) es donde se pueden conseguir ahorros más interesantes. Por ejemplo en el supuesto planteado me interesa circular a 103Km/h, ya que a menor velocidad el ahorro es menor del deseado. Ya tenemos la nueva velocidad óptima. Si por ejemplo circulo al año 15.000km por autopista, el ahorro obtenido es de unos 200 euros, es decir dos depósitos, y a cambio tendría que estar unas 20 horas más en el coche.

Si en cambio en los datos de partida hubiera estado dispuesto a pagar 20 euros por llegar una hora antes entonces la nueva velocidad óptima sería 140Km/h.

Paso 4
Lo normal es que sólo tengas controlado el consumo de tu coche a la velocidad que sueles circular. Si ese es tu caso el consumo a la velocidad óptima será supuesto.

El último paso es calcular el consumo real circulando a la supuesta velocidad óptima. Si el consumo se aleja del consumo previsto, hay que volver a hacer números. Tal vez te compense circular 5Km/h por encima o por debajo.

ATENCIÓN: una diferencia de 0,2l/100Km cambia los números. Es importante realizar este último paso.

La gráfica que os he mostrado varía enormemente con la velocidad de referencia. Por ejemplo si la velocidad de referencia es 90Km/h esta es la curva que se obtiene:


Esto tiene sentido, porque a 90Km/h se tarda mucho en llegar. Por ejemplo si circulas a 100Km/h sólo hay que pagar una cantidad modesta (5 euros) para llegar una hora antes.

Finalmente la curva también varía mucho con el coche y con el precio del combustible. Cada uno tiene que hacer sus números.

15 sept. 2012

EL DESARROLLO INADECUADO, EL ENEMIGO NÚMERO SEIS DEL CONSUMO III

...Continuación post anterior.

¿Por qué los desarrollos no son suficientemente largos para circular en autopista?
En el post anterior mostraba como los desarrollos de mi coche con seis marchas están optimizados para circular hasta 100Km/h. Esto no es óptimo en mi caso, ya que aunque sólo salgo a la autopista cada semana o cada quince días, los kilómetros de autopista suponen probablemente más de 50% de los kilómetros recorridos. Típicamente los desarrollos de un cambio manual (en la marcha más larga) oscilarán entre los 65Km/h a 1000rpm de un “diésel” muy potente, y los 30Km/h a 1000rpm de un “gasolina” muy justo de potencia.

¿Por qué se diseñan los coches con desarrollos tan cortos para autopista?
Sólo el fabricante del coche puede responder a esta pregunta, pero al menos identifico los siguientes motivos claros:
  • Maximizar la velocidad máxima: en la gran mayoría de los coches la velocidad máxima se alcanza casi a la máxima potencia. Si los desarrollos fueran más largos la velocidad máxima sería menor. Ejemplo mi coche:

    Vmax = 196Km/h
    Régimen potenciamax= 4000rpm
    Régimen Vmax = 3760rpm (94% máxima potencia)

    Esto se repite en la gran mayoría de los coches, y siempre me ha parecido bastante tonto. Yo jamás he comprobado la velocidad máxima de mi coche, y no conozco nadie que lleve su coche cerca de la velocidad máxima (salvo coches de potencia muy reducida), pero debe ser importante para muchos compradores, porque como os comento es casi un estándar de la industria.

  • Facilitar la conducción con pendiente: cuanto más larga es la marcha menor es la pendiente que podemos subir. Esto obliga a reducir a una marcha más corta. Esto es especialmente incomodo si circulamos por debajo del par máximo. Esto es fácil de explicar: el par que requiere el coche es proporcional a la pendiente (ya lo veremos más adelante). Si estamos por encima del par máximo y el coche se empieza a frenar cada vez hay más par disponible, y por tanto el coche tiene más capacidad de subir la pendiente. En cambio, si estamos por debajo del par máximo y el coche empieza a frenar cada vez tenemos menos par disponible, y menos capacidad de subir, por lo que entramos en un círculo vicioso, en el que el coche se decelera rápidamente, o dicho coloquialmente “nos quedamos tirados” al llegar a una cuesta importante.
    De nuevo, el desarrollo de mi coche me parece absurdo para subir cuestas. En mi caso, con el coche sin cargar demasiado puedo subir a 120Km/h (en 6ª marcha) hasta del 7%, es decir, todavía no he encontrado una pendiente de autopista que no pueda subir en 6ª. Incluso bajando la velocidad a 100Km/h puedo subir pendientes del 8%. Tendría que bajar a 90Km/h (95Km/h en el velocímetro y régimen de par máximo) para que a partir del 8% de pendiente el coche se quedara "tirado".

  • Exceso de separación entre marchas: este es el verdadero problema técnico que existe en un desarrollo largo. Si por ejemplo se optimizará la 6ª marcha de mi coche para autopista (1900rpm a 120Km/h) entonces el desarrollo sería de 63,2Km/h×1000rpm, frente a los actuales 52,1Km/h×1000rpm. Aunque este desarrollo todavía permite subir pendientes del 5%, tiene el problema de que queda muy lejos de la 5ª marcha. La velocidad mínima razonable en 6ª sería de 100Km/h, esto es muy alto para la 5ª, ya que el régimen a 100Km/h es de 2300rpm. Esto implica un mal consumo en el rango 90Km/h a 100Km/h y un exceso de revoluciones cuando circulemos a alta velocidad y sea necesario más potencia (por ejemplo circulando a 140Km/h si necesitas un extra de potencia y bajas a 5ª el régimen del motor es de 3200rpm).
    Obviamente, si el desarrollo de la 6ª es de 63,2Km/h, el de la 5ª no puede ser de 43,6Km/h, tendría que ser un poco más largo. Lo mismo ocurriría con la 4ª marcha. Al final tener que separar más todas las marchas perjudica el consumo a baja velocidad (tenemos más puntos en los que el consumo es malo, como explicaba en el post anterior) y empeoramos las prestaciones (capacidad de acelerar el coche).
De lo explicado hasta aquí queda claro de nuevo que la mejor solución es 8 o 7 marchas, pero si sólo tienes seis, al menos yo preferiría en mi coche una 6ª marcha entre un 15% y un 20% más larga, aunque existan los inconvenientes explicados. Desgraciadamente, los fabricantes de coches no opinan como yo. Es muy difícil encontrar desarrollos en 6ª marcha de más de 60Km/h×1000rpm (salvo para coches con mucha potencia).

Os muestro sólo un contraejemplo:

Renault Mégane Normal

Renault Mégane Energy (Desarrollo largo)

DESARROLLOS (Km/h×1000rpm)
MarchaMéganeMégane Energy
8,38,7
16,016,7
23,526,6
31,938,9
40,749,9
48,758,2

El Mégane Energy tiene un desarrollo muy largo. En 6ª 58,2Km/h×1000rpm, para una potencia moderada de 110CV y un motor pequeño de 1460cc. En concreto: ¡una 6ª marcha 58,2/48,7 = 20% más larga que el Mégane normal! Obviamente las prestaciones son peores (aceleración 0-100Km/h de 12,4s frente a 11,1s del Mégane normal).

Como comentaba, en realidad sería mejor disponer de una 7ª marcha un poco más larga (por ejemplo 62Km/h×1000rpm) y un desarrollo para las otras seis marchas intermedio entre el Mégane normal, y el Mégane Energy. Pero la solución que ofrece Reanault tampoco está nada mal. Por 600 euros más tenemos un coche que tiene un consumo homologad de 0,9l/100Km menos, y un desarrollo casi ideal para circular por autopista.
NOTA: No puedo evitar mirar versiones familiares, porque tengo una familia numerosa, pero si lo que quieres es consumir poco en autopista es mejor si te compras el Mégane Coupé con los mismos desarrollos largos.

Datos obtenidos en Km77.

13 sept. 2012

EL DESARROLLO INADECUADO, EL ENEMIGO NÚMERO SEIS DEL CONSUMO II

…continuación post anterior.

Sobre el número de marchas y el cambio
En el post anterior mostraba como había huecos entre las marchas de mi coche que perjudican al consumo, además la marcha más larga (6ª marcha) dejaba de ser óptima para velocidades de autopista. Sería conveniente una séptima marcha para circula a velocidades entre 100Km/h y 130Km/h. Aunque más adelante entraremos en porque una marcha del coche sólo consigue un consumo óptimo en un rango de velocidades relativamente estrecho, del post anterior se deduce que para consumir poco se necesitan muchas marchas.

La solución obvia es aumentar el número de marchas. Y eso es lo que se hace en los camiones. Un camión tiene al menos 8 marchas, y en algunos casos llegan típicamente hasta las 16. Para un coche 8 marchas deberían ser suficientes, ya que a baja velocidad nos podemos permitir tener marchas muy separadas. Desgraciadamente no tenemos esta opción en un coche, básicamente por tres motivos:
  • A más marchas mayor precio.

  • El conductor medio no sabe muy bien con que marcha circular. Además, cuando se conduce con muchas marchas hay que cambiar entre marchas no consecutivas continuamente, lo cual aún crea más confusión.

  • Finalmente tenemos el problema de la palanca. Una palanca de cambios de más de seis marchas es más difícil de accionar, o dicho en términos de conducción deportiva, el cambio es poco preciso.
    NOTA: Se puede seguir la estrategia de los camiones, que es tener dos juegos de marchas. Tenemos un segundo "selector" que te permite elegir entre una marcha un poco más corta y otra un poco más larga, es decir tenemos una palanca de cambios como la de un coche más un "selector" de media marcha, pero conducir con medias marchas también aumenta la confusión del conductor medio, no lo veo factible en un coche.
Como curiosidad, al menos conozco un coche que se puede comprar con un cambio manual de más de seis marchas: el Porsche 911. Aquí tenéis un link con una prueba de conducción. Como no podía ser de otra manera se quejan de la inseguridad que les genera el cambio.

En realidad lo ideal sería un cambio de marchas continuo; es decir, un cambio de marchas que te permitiera cualquier nivel de reducción entre el régimen del motor y la velocidad del coche. Es como tener infinitas marchas. Más adelante introduciré el concepto de curva de máxima economía, pero mientras tanto, imaginemos que a la gráfica presentada se van añadiendo más y más marchas, en el límite se obtiene una curva de consumo como la que os muestro en la siguiente figura:


Sin embargo, existe un gran problema, de momento ningún sistema de reducción continua puede competir con el rendimiento de un cambio de marchas convencional. Para ilustrarlo os muestro el consumo de un cambio automático de 4 velocidades (obtenido de la Tesis Doctoral de Irene Michelle Berry 2010):


Este Ford Focus está equipado con un motor 145 hp Duratec 2.3L., un cambio automático de 4 marchas mecánicas, más un variador continuo de la transmisión (probablemente con un convertidor de par), como podéis observar los consumos son malos. En realidad la cosa no es tan negra. Se sigue trabajando en conseguir cambios continuos de mejor rendimiento, y marchas punteras como Toyota o Volvo tiene coches con transmisiones continuas. Probablemente lo más interesante en los últimos 25 años es la transmisión del Toyota Prius, mediante 3 motores conectados a una reductora de planetario se consigue un cambio continuo asombrosamente ingenioso. Es tan ingenioso que cuesta ver su funcionamiento, os paso un link  en inglés donde se explica con absoluta claridad.

No obstante, de momento, si lo que quieres es bajo consumo, la caja de cambios de toda la vida (de engranajes paralelos) sigue siendo superior. Y si lo que queremos son muchas marchas (7 o mejor 8 marchas) la única opción que tenemos es un cambio automático. Este tipo de cambios reducen el consumo respecto a un cambio manual si el conductor no tiene conocimientos de conducción eficiente. Desgraciadamente (salvo en autopista) no son tan buenos para mejorar un buen conductor eficiente, pero en algunos coches no es una limitación, porque puedes elegir manualmente la marcha. Eso sí, tiene un inconveniente para los amantes de la conducción deportiva, y es que no te permite saltar entre dos marchas separadas (por ejemplo puede interesar reducir de sexta a tercera al entrar en una curva, pero en un cambio automático pilotado tienes que dar tres veces al botón para bajar a tercera).

En el post sobre potencia ya mostré coches muy caros con cambio automático que consumen relativamente poco entre otras cosas porque tienen muchas marchas. No es tan sencillo encontrar lo mismo a un precio razonable.

Si se realiza una búsqueda en Km77 de los coches con cambio automático de menor consumo lo que encontramos son turbodiésel con cambios "convencionales", es decir con el mismo número de marchas que un cambio manual, y por tanto poco atractivos respecto al consumo que obtendríamos con el mismo cambio manual:

El record lo alcanza el Smart Fortwo con un cambio de 5 marchas:


El siguiente consumo lo obtenemos con el Peugeot 208 también de 5 marchas:


Con el Citroën DS3 conseguimos el mismo consumo con 90CV y un coche algo más pesado. Este coche ya va equipado con un cambio de 6 marchas:


El primer cambio con 8 marchas que encuentro es el BMW Serie 3. Es un coche caro, pero permite ir muy rápido consumiendo poco (desarrollo en 8ª: 63,6Km/h a 1000rpm):


Con una marcha menos se pueden encontrar coches más económicos. Por ejemplo el A1 (desarrollo en 7ª 52,7Km/h a 1000rpm); no llega a 20.000 euros, y el VW Jetta (desarrollo en 7ª 51,6Km/h a 1000rpm) tampoco es especialmente caro:
NOTA: aunque los desarrollos son cortos para coches de siete marchas no están tan mal cuando se tiene en cuenta las potencias de los dos coches. Funcionarán muy bien hasta 100Km/h, pero se quedan un poco cortos para consumir poco en autopista.



Recomendaciones desde el punto de vista de consumo:
  • Cuantas más marchas tenga un coche mejor para el consumo.

  • No obstante si básicamente haces conducción urbana un cambio de 5 marchas será aceptable.
    NOTA: en realidad si haces conducción urbana lo conveniente es comprarse un híbrido.

  • Si vas a circular por carretera un cambio de al menos 6 marchas es muy recomendable.

  • Si vas a circular por autopista (tomo como referencia la máxima velocidad permitida en España, 120Km/h) asegúrate que la marcha más larga es suficientemente larga. Salvo para coches muy justos de potencia es deseable un desarrollo muy largo, lo ideal (desde el punto de vista del consumo) es un desarrollo en el entorno de:
    • 60Km/h a 1000rpm para motor turbodiésel.
    • 45Km/h a 1000rpm para motor de gasolina.
      NOTA: si se dispone de un coche muy potente son deseables desarrollos todavía más largos.
Desgraciadamente se venden muy pocos coches con desarrollos tan largos, y además los coches suelen ser caros o muy caros. Normalmente la mejor opción es un cambio automático de más de 6 marchas (normalmente de engranajes paralelos y embrague convencional, aunque hay opciones más exóticas).
NOTA: contrariamente a lo que pueda parecer, para circular a 130Km/h consumiendo poco no hace falta un coche potente en absoluto. Por ejemplo el BMW 316d tiene 116CV, pero tiene un desarrollo en 8ª de 63,6Km/h a 1000rpm.

Continuará…

11 sept. 2012

EL DESARROLLO INADECUADO, EL ENEMIGO NÚMERO SEIS DEL CONSUMO

Se entiende por desarrollo la relación entre el régimen del motor y la velocidad de giro de la rueda. Es decir, hablar de desarrollo de un coche es exactamente lo mismo que hablar de la relación de desmultiplicación que tiene la transmisión. En los coches normalmente se desmultiplica en dos etapas, en el cambio de marchas, y en el diferencial. La relación de desmultiplicación será el resultado de multiplicar la desmultiplicación del diferencial, por la relación del cambio de marchas.
NOTA: en el pasado el cambio de marchas tenía típicamente una relación de reducción de 1 en la marcha más larga. Por eso la 4ª o 5ª marcha se llamaba directa. Hace mucho tiempo que esto está superado. En muchos coches la relación en la marcha más larga, típicamente 6ª, es menor que 1; es decir, la caja de cambios no actúa como reductora, sino como multiplicadora. No obstante, cuando se tiene en cuenta el diferencial, la relación de reducción global es muy superior a 1.

Un desarrollo inadecuado es increíblemente nefasto para el consumo. En realidad se merecería el tercer puesto como enemigo al consumo, después de la velocidad y el freno, pero debido a que es conveniente extenderse en este tema, lo he dejado para el final.

Empezaré con un post enormemente descriptivo. Circulando en llano a velocidad constante en muchas ocasiones podemos elegir tres marchas, pero normalmente sólo con una de las marchas el consumo es mínimo. Veámoslo con el ejemplo del consumo de mi coche:

NOTA: Esta gráfica la he calculado con temperatura en el entorno 28ºC y 30ºC, con el aire acondicionado conectado, realizando un recorrido corto en dos sentidos y calculando la media. Las velocidades son reales (medidas con el GPS). Los valores son sólo aproximados, por varios motivos: 1º los recorridos que he realizado no son suficientemente largos para obtener resultados precisos, 2º los recorridos no los he repetido muchas veces y 3º los recorridos no son ni totalmente planos (hay pequeñas pendientes), ni perfectamente rectos (salvo a baja velocidad), 4º he utilizado diversos recorridos según las velocidades, lo que puede afectar ligeramente a la resistencia de rodadura. Todo ello hace que pueda tener errores de por ejemplo ±0,2 litros/100Km. Además, a estos valores hay que añadir el error del ordenador de a bordo, que probablemente marca de menos un 6% aproximadamente. Todos estos errores no tienen importancia para el objetivo de este post.

Se pueden sacar las siguientes conclusiones (aplicable a cualquier coche):
  • Para cada marcha hay una velocidad donde el consumo es mínimo, cuando nos alejamos de esa velocidad el consumo sigue una curva más o menos parabólica (al menos en el entorno ±6Km/h).

  • Los consumos mínimos de cada marcha aumentan para las marchas cortas, y para las marchas largas, existiendo una marcha intermedia en el que el consumo es mínimo. Por ejemplo en el caso de mi coche el consumo mínimo se alcanza en cuarta marcha.
    NOTA: en muchos coches es posible que el mínimo consumo se alcance en la marcha más larga. Especialmente si se dan algunas de las siguientes circunstancias: la última marcha es muy corta; el coche es muy potente; o el motor funciona muy bien a bajo régimen (motor muy elástico).

  • Existen zonas en las que el consumo aumenta debido a que no hay ninguna marcha que permita funcionar el motor a un régimen adecuado. Por ejemplo en el caso de mi coche ese es el caso para:
    • Entre 11Km/h y 15Km/h (entre primera y segunda).
    • Entre 28Km/h y 32Km/h (entre segunda y tercera).
    • Entre 43Km/h y 47Km/h (entre tercera y cuarta).
    • Para velocidad por encima de 90Km/h (cerca de 95Km/h en el velocímetro del coche) se necesitan marchas más largas para conseguir el consumo óptimo. En carretera no es un problema, porque no se pasa de 100Km/h, pero en autopista penaliza el consumo.

  • Para cualquier velocidad (rango 30Km/h y 90Km/h) típicamente se pueden engranar tres marchas. Siempre hay que engranar la marcha más larga, salvo que el régimen del motor sea muy bajo (en el caso de mi coche un régimen demasiado bajo es menos de 1300rpm, es decir un 75% del régimen de par máximo).
    NOTA: hay una excepción para primera y segunda marchas, que explicaré más adelante.

  • En algunas velocidades determinadas no utilizar la marcha adecuada puede aumentar el consumo mucho. Típicamente el usuario medio lleva el motor demasiado revolucionado al circular en llano a velocidad constante. Si se hace muy mal el consumo puede aumentar muchísimo. Por ejemplo en mi coche si se circula en ciudad en tercera a 53Km/h (2200rpm) se consume un 50% más que si se circula a la misma velocidad en cuarta. Es decir, la recomendación de conducir con el motor "alegre" penaliza severamente el consumo.
Esto obliga a evitar ciertas velocidades si quieres conseguir un consumo sobresaliente. Por ejemplo para el caso de mi coche las velocidades de circulación teóricas serían:

Marcha rpm Vmin Vmin (Km/h) rpm Vmax Vmax (Km/h)
1000 8 1200 10
1000 15 1750 27
1250 30 1800 43
1300 45 1650 57
1300 57 1550 68
1300 68 N/A N/A

En realidad no creo que sea recomendable llevar mi coche tan bajo de revoluciones (salvo en 1ª y 2ª marchas). No se tiene ninguna capacidad de aceleración y el consumo puede aumentar si encontramos el mínimo repecho o racha de viento. Parece más lógico las siguientes velocidades (al menos son las velocidades que yo intento seguir):

Marcha rpm Vmin Vmin (Km/h) rpm Vmax Vmax (Km/h)
1000 8 1200 10
1000 15 1750 27
1300 31 1800 43
1400 48 1700 59
1500 65 1700 74
1550 81 N/A N/A
NOTA: cada motor es diferente. Hay motores turbodiésel muy elásticos en los que se puede circular cómodamente en manchas largas a 1200rpm.

Así es como quedaría la gráfica si se siguen estas velocidades de conducción:


Es decir, se puede circular entre 30Km/h y 80Km/h (en llano, a velocidad constante) y en unos rangos de velocidades determinados consumiendo muy poco. En el caso de mi coche, y con el aire acondicionado conectado menos de 4l/100Km reales. En un coche más pequeño se puede conseguir perfectamente bajar de 3,5l/100Km. De hecho, en un coche con un consumo sobresaliente se puede bajar de 3l/100Km simplemente circulando a una velocidad baja en la marcha adecuada.

Se puede utilizar la siguiente aproximación simplona, que funciona bien como regla mnemotécnica: llaneando a baja velocidad no hay que pasar nunca de 1800rpm.
NOTA: obviamente esto es válido para mi coche, para otro turbodiésel habrá ligeras diferencias, por ejemplo si tienes un coche muy potente el límite recomendable pueden ser 1700rpm. Para un coche de gasolina hay un poco más de variabilidad según el coche, el régimen máximo debería estar normalmente entre 2000rpm y 3000rpm.

Continuará…

8 sept. 2012

LOS TRANSITORIOS, EL ENEMIGO NÚMERO CINCO DEL CONSUMO II (LAS ACELERACIONES)

...Continuación post anterior.

Las aceleraciones
El otro clásico de los transitorios es las aceleraciones del coche.

Según la sabiduría popular acelerar fuerte aumenta el consumo, siendo lo correcto acelerar suave para ahorrar combustible. Sin embargo, tengo ciertas dudas que esto sea completamente cierto, como justificaré más adelante.

Empecemos por la teoría: ¿Por qué consume más un coche acelerando fuerte? A fin de cuentas, si el rendimiento del motor es mayor a cargas elevadas (ver post consumo específico) conviene llevar el acelerador bien pisado, y como consecuencia las aceleraciones son relativamente elevadas en marchas cortas.

Veamos algunos argumentos para justificar este aumento del consumo:
  • Retraso del turbocompresor: este es uno de los problemas clásicos más estudiados. Los turbos pueden girar a un régimen muy elevado (del orden de 50 veces el régimen del motor). Por eso, aunque el conjunto turbina/compresor pesen poco, requieren cierto tiempo para pasar de un régimen bajo a un régimen alto. Este problema limita la capacidad de acelerar el coche, y puede afectar negativamente al consumo (al menos en un diesel), ya que el motor tiene mejor rendimiento con el turbo funcionando. Los fabricantes de coches trabajan mucho en reducir el tiempo de respuesta del turbo. Una buena estrategia para reducir este tiempo de respuesta es utilizar una turbina de geometría variable. Para el que no esté familiarizado con los turbos de geometría variable, en el siguiente link se explica.

  • A diferencia de los motores Diesel, los motores de ciclo Otto (los de gasolina) tienen consumos específicos más altos cuando trabajan a máxima carga. El consumo aumenta debido a que a máxima carga se utiliza un dosado elevado (es decir con una mezcla muy rica: más combustible y menos oxígeno). Por tanto, un pisotón al acelerador nos lleva a un punto de funcionamiento en el que el consumo específico es peor. Este problema se evita si aceleramos sin pisar el acelerador a tope.

  • En los motores Otto de carburador la gasolina se inyecta antes de la válvula de mariposa. Si hay algún lector demasiado joven (hace 20 años que no se venden coches con carburador) en el siguiente link se explica. En estos motores hay un cierto desfase, queda siempre algo de combustible entre el carburador y los cilindros (fundamentalmente en el colector de admisión) cuando se abre la mariposa y se inyecta más combustible. Luego cuando se cierra la mariposa, la presión baja, y ese exceso de combustible depositado en las paredes se volatiliza aumentando el dosado deseado. Esto se ha mitigado mucho en los coches modernos. En los motores de inyección indirecta la ley de control tiene en cuenta ese fenómeno, además la gasolina se inyecta en la cantidad justa y en algunos casos más cerca del colector de admisión. En los motores de inyección directa este fenómeno no existe.

  • El par demasiado elevado en la rueda: cuando aceleramos hace falta que las ruedas transmitan al suelo una fuerza:

    F = m’×a

    Donde:
    a es la aceleración.
    m' es la masa teniendo en cuenta las masas rotatorias.

    Por ejemplo, una modesta aceleración del 10% de g, que puede alcanzar cualquier coche en marchas cortas, requiere la misma tracción que subir una pendiente del 11%. Es decir, una barbaridad, y sin duda aumentará la resistencia de rodadura.
    NOTA: 10% de g es igual a 1m/s2 o lo que es equivalente, ganar 3,5Km/h cada segundo o alcanzar 100Km/h en 28 segundos.
Si se bucea por la literatura se pueden encontrar más ejemplos sutiles del efecto de los transitorios en el motor. Por ejemplo el efecto en el sistema de recirculación de los gases de escape; o efectos térmicos, ya que hay zonas del motor que tardan más en calentarse que el tiempo de aceleración del motor.
NOTA: como información los sistemas de recirculación de gases de escape reducen las emisiones del motor. Para quien desconozca este sistema podéis consultar la Wikipedia.

La teoría está muy bien, pero: ¿Qué ocurre con el consumo de tu coche cuando aceleras?

Empecemos haciendo unos números rápidos: para una misma aceleración del coche el efecto será mucho mayor en marchas cortas, ya que el régimen del motor sube mucho más deprisa. No tiene sentido hacer números con la 1ª marcha por que trabaja muy poco. Típicamente en primera aceleras de 0 a 10 o 15Km/h, hace falta una energía mínima para conseguir esa velocidad y contribuye poco al consumo. Analizar lo que ocurre en 2ª marcha tiene más interés ya que en comparación con la aceleración de 1ª marcha se requiere mucha más energía. Por ejemplo una aceleración de 15Km/h a 34Km/h requiere cuatro veces más energía que una aceleración de 0 a 15Km/h.

Empecemos despreciando los efectos transitorios, ¿Cuánto habría que acelerar? Voy a hacer unos números rápidos con mi coche. En un turbodiesel lo ideal es acelerar cerca del par máximo. Siendo conservador hago los números con el 70% del par máximo:

V(Km/h) rpm par máximo supuesto (N/m) par ley de control (N/m)
15 980 200 140
20 1307 280 196
25 1634 310 217
30 1961 310 217
34 2222 300 210

La aceleración con un par tan elevado es muy grande, os presento los números en los Km/h que se acelera cada segundo para que sea más intuitivo:

V (Km/h) aceleración (Km/h por segundo)
15 5
20 7
25 8
30 8
34 8
NOTA: como se puede ver, con la ley propuesta se empieza acelerando un poco menos, para luego mantenerse a una aceleración máxima una vez nos acercamos al par máximo. Con esta aceleración cada segundo aumenta el régimen del motor 500rpm. Como curiosidad la potencia de mi coche sólo permite mantener esa aceleración hasta 70Km/h. También es interesante destacar que en estas condiciones de la potencia que suministra el motor casi tres cuartos se invierte en acelerar el coche.

Es decir se acelera mucho, se pasa de 15 a 34Km/h en 2,6 segundos. Conclusión: acelerar fuerte en 2ª marcha genera un par en las ruedas tractoras muy elevado,  y una disminución apreciable de distribución de pesos en el eje tractor (para coches de tracción delantera). La consecuencia es un aumento del deslizamiento de las ruedas, y un aumento significativo de la resistencia de rodadura.

Ahora traslademos esto al consumo real del coche. Mi primer intento es realizar aceleraciones controladas. Para ello monto un acelerómetro, e intento mantener una aceleración continua. Montar un acelerómetro es sencillo, sólo necesitas un smart phone, el problema es conseguir la presión adecuada sobre el acelerador. No hay forma de conseguir una gráfica con una aceleración constante. Las curvas que obtengo son una montaña rusa. La curva es tan desastrosa que abandono el experimento.

Después de este fracaso, hago una aproximación más práctica. Voy a calcular el consumo medio realizando un recorrido circular. Acelero de 15Km/h a 40Km/h (velocidades reales, es decir medidas con GPS) en 2ª marcha. Luego saco la marcha y dejo que el coche se decelere hasta 15Km/h, y vuelvo a empezar el proceso, hasta que he repetido varias veces el recorrido circular. Voy a calcular el consumo con el ordenador del coche.

Caso 1
Acelero casi con el pie pisado a tope, es decir en muy pocos segundos. De hecho la tracción es tan elevada que cuando me toca acelerar en las curvas (el recorrido es dar vueltas a una manzana de un polígono industrial) una de las ruedas tractoras me patina. Además es muy difícil dosificar la velocidad al final de la aceleración.

En estas condiciones, muy lejos de lo que intuitivamente sería una aceleración razonable para ahorrar combustible consigo un consumo medio de 4,8l/100Km. Bastante menor de lo que me esperaba.

Caso 2
Acelero más rápido de lo que me pide el cuerpo para ahorrar combustible, pero sin hacer el “burro” como en el caso anterior. Ahora ya consigo ajustar la velocidad siempre entre 15 y 40Km/h. El consumo obtenido es de 4,5l/100Km, un resultado sorprendentemente similar al caso 1.

Caso 3
Acelero suavemente para minimizar el efecto de los transitorios. Intento acelerar como la intuición me dice que se consume menos. El consumo obtenido es de 4,4l/100Km, una diferencia minúscula con el caso 2, y además poco significativa, ya que la diferencia es la incertidumbre de la medida.
NOTA: condiciones ambientales 29ºC y aire acondicionado conectado. En la prueba realizada la velocidad media es de 25Km/h, curiosamente circulando a una velocidad constante de 25Km/h en 2ª marcha el consumo es de 4,4l/Km. Volveremos sobre esto más adelante cuando se comente la circulación por impulsos.

Por el resultado obtenido parece que el consumo depende muy poco de lo que aceleremos, salvo aceleraciones muy elevadas. Incluso acelerando mucho el efecto en el consumo es razonable. O dicho de otra manera, ahorrarás mucho más combustible evitando circular a velocidades elevadas, y evitando utilizar el freno, que evitando acelerar mucho. Sospecho que si se realiza esta prueba con otro coche de gasoil se obtendrán resultados parecidos. También sospecho que si se realiza la prueba con un coche de gasolina aumentará más el consumo con aceleraciones fuertes.

En marchas más largas, en las que no son posibles aceleraciones altas, el efecto de los transitorios en el motor son menores, y por tanto, podemos pisar bastante el acelerador sin miedo a que aumente el consumo significativamente.

Obviamente habrá una aceleración óptima para el consumo, pero existen dos argumentos claros para que el óptimo no sean aceleraciones muy suaves:
  • Como veremos más adelante no tiene sentido hablar de consumo sin tener en cuenta el tiempo que tardamos en hacer un recorrido. Si se acelera muy suavemente se baja la velocidad media respecto a acelerar más fuerte. Esto nos obliga a circular ligeramente más rápido para tardar lo mismo, lo cual aumenta el consumo.
    NOTA: este efecto no se da en la prueba realizada debido a que nunca se circula a velocidad constante.
  • Por una serie de motivos que intentaré explicar más adelante en los coches las marchas cortas están muy separadas. Por tanto, cuando aceleramos en 2ª marcha estamos obligados a llevar el motor a un régimen más elevado del régimen ideal (típicamente menos de 2000rpm). Si aceleras muy suave estás más tiempo con el motor muy revolucionado, lo cual sólo puede aumentar el consumo.
Para terminar, mi recomendación es:
  • Cuando aceleres no te preocupes por pisar mucho el acelerador. El único límite es:
    • En 1ª marcha y 2ª marcha mantenernos lejos del punto en el que las ruedas empiezan a deslizar significativamente (punto en el que las ruedas patinan).
    • En marchas más largas seguir la regla del dedo gordo de no pasar de ¾ del recorrido del pedal del acelerador si conduces un coche de gasoil, y de 2/3 del recorrido si conduces un coche de gasolina.
      NOTA: en la práctica yo casi nunca acelero pisando tanto el acelerador. Suelo acelerar pisando más bien hasta 1/2 del recorrido del pedal. Mi experiencia es que así acelero más que el conductor medio, sin embargo los consumos que obtengo son mejores que prácticamente todos los conductores que conozco. Luego no parece que acelerar con cierto brío perjudique apreciablemente al consumo, al menos en un turbodiesel.

  • Cuado aceleres si que debes subir de marcha lo más pronto posible. El régimen en el que hay que cambiar de marcha varía mucho de un coche a otro. Por ejemplo en el caso de mi coche normalmente se acelera lo suficiente engranando el motor a 1500rpm en 3ª y 4ª marchas, y 1600rpm en 5ª y 6ª marchas. Cuando hace falta más aceleración (por ejemplo una incorporación a autopista) tiene sentido engranar la siguiente marcha por ejemplo a 1750rpm, que corresponde con el par máximo. Únicamente en adelantamientos o incorporaciones temerarias no hay más remedio que acelerar buscando la máxima potencia, pero penalizamos severamente el consumo.
  • OJO: las rpm indicadas corresponde a la marcha más larga. Ejemplo cuando acelero en la 2ª marcha acelero típicamente hasta 2300rpm, en ese momento engrano la 3ª marcha a 1500rpm.

1 sept. 2012

LOS TRANSITORIOS EL ENEMIGO NÚMERO CINCO DEL CONSUMO I (ARRANQUE EN FRÍO)

Lo primero es definir el régimen estacionario. Se dice que el motor está funcionando a régimen estacionario cuando sus variables principales permanecen estacionarias. En particular destacan estas tres variables: el régimen (revoluciones por minuto), la carga (el par) y la temperatura del motor.

El diagrama de consumo específico explicado en el anterior post se obtiene con el motor en régimen estacionario.

Se dice que el motor está en un transitorio cuando no está funcionando en régimen estacionario. Es decir alguna de las variables no es constante. Durante un transitorio en general el motor no tiene por que funcionar igual que en régimen estacionario, y por tanto no podemos predecir a priori el consumo del coche, ya que no se cumple el diagrama de consumo específico. Además, en muchos casos el motor va peor (consume más, hace más ruido, vibra más, contamina más, y/o se desgasta más que en estacionario).

Arranque en frío
El arranque en frío es uno de los transitorios más claros. Afecta muy negativamente al consumo.

¿Por qué? Veamos algunos motivos:
  1. Se necesita calor para calentar el motor.

  2. El lubricante está diseñado para trabajar en caliente. Aunque se intenta que su viscosidad no varíe mucho con la temperatura, cuando está muy frío es demasiado viscoso, y esto aumenta el rozamiento.

  3. Las piezas del motor no ajustan bien en frío. Lo que aumenta el desgaste y el rozamiento.

  4. La paredes más frías en la cámara de combustión. Esto ocurre fundamentalmente al principio, justo después de arrancar. Unas paredes frías afectan muy negativamente al proceso de combustión.
Salvo el colector de escape y las válvulas de escape que están viendo continuamente la temperatura de los gases de escape, las temperaturas de los motores de combustión alternativa son relativamente reducidas, incluso la temperatura de las paredes de la cámara de combustión es moderada (comparada con los más de 1000ºC que se pueden alcanzan en la combustión). Como regla del dedo gordo la temperatura en las zonas alejadas de los puntos calientes es cercana a 100ºC. En particular el agua del circuito de refrigeración estará algo por debajo de los 100ºC, y el aceite estará en el entorno de los 100ºC.

Pero aunque el incremento de temperatura que hay que conseguir para alcanzar el régimen estacionario no es muy alto, requiere una cantidad de energía significativa. Veámoslo con unos números muy rápidos:

Suponemos una capacidad calorífica media del motor de 1KJ/KgK
NOTA: las capacidades caloríficas son 0,5 para el acero, 0,9 para el aluminio y 4,2 para el agua.
Suponemos un aumento de temperatura medio de 80ºC
Suponemos una masa del motor de 150Kg

¿Cuánto calor necesitamos para calentar el motor?

1KJ/KgK×80K×150Kg = 12.000KJ

Si tenemos en cuenta que de un litro de gasoil podemos obtener 36MJ, entonces hay que quemar al menos 1/3 de litro de gasoil para calentar el motor.

Afortunadamente para el calentamiento, el rendimiento del motor es muy bajo (rango típico 35% al 15%), luego tenemos garantizado un suministro continuo de calor. La mayor parte de ese calor lo perdemos por los gases de escape, pero el resto va a parar al motor (obviamente en régimen estacionario este calor se tiene que disipar por el radiador).

En los arranques en frío hay un gran efecto estacional. Si por ejemplo en invierno arrancamos con una temperatura del motor de 0ºC, y en verano de 30ºC, hay que calentar casi un 50% más en invierno (95-0=95ºC) respecto al verano (95-30=65ºC). Pero además en el tramo en el que el motor pasa de 0ºC a 30ºC funciona mucho peor que en el tramo de por ejemplo de 65ºC a 95ºC.

Algunas estimaciones rápidas para mi coche: en invierno (semanas más frías) en los desplazamientos cortos de ir a trabajar (9,5Km) el coche me consume un 15% más que en verano. La diferencia es de 0,8l/100Km. Es decir 0,152l diarios. Si supongo que el 80% de este aumento es debido al arranque en frío tenemos 0,122l, y si además supongo que el arranque en frío de la mañana supone el 50% (el 50% restante es para el arranque en frío al volver de trabajar), entonces un arranque en frío en invierno me supone un gasto de combustible adicional de 0,061l. Así dicho no parece mucho, pero esto es lo que se consume de más en invierno. Si supones otros 0,03l para un arranque en frío en verano, entonces tenemos un consumo debido al arranque en frío entre invierno (0,061+0,03) y verano (0,03). Finalmente si además en mi caso estimo 600 arranques en frío al año:
NOTA: mi coche duerme en garaje, si pasara la noche en la calle el efecto del arranque en frío en invierno sería superior.

600 arranques en frío por año × 0,061l consumo arranque en frío medio = 36,5l

Es decir, cada año consumo algo más de medio depósito debido a los arranques en frío, que teniendo en cuenta los kilómetros que realizo y mi consumo medio, supone un aumento del consumo de aproximadamente un 2,5%.

Los números que os muestro son muy burdos, los errores pueden ser muy elevados, además mi experiencia es que el ordenador de abordo marca un poco de menos. No obstante, queda claro es que el efecto es muy significativo en los desplazamientos cortos.

En condiciones excepcionales, el efecto del arranque en frío puede ser mucho mayor. Por ejemplo si empiezo un recorrido en alta montaña con el coche a -5ºC, y luego hago el típico recorrido de vuelta a casa (en llano, o cuesta abajo), el motor puede tardar perfectamente 15Km o 20Km en alcanzar una temperatura razonable, frente a los típicamente 5Km a 7Km tardo en  invierno en calentar el motor con una conducción básicamente urbana.

Vosotros mismos podéis comprobar el efecto del motor frío con el consumo instantáneo al relentí. Nada más arrancar es muy alto, y un poco antes de que el agua alcance la temperatura normal baja al consumo normal con el motor caliente. La temperatura del agua es un indicador un poco retrasado, por que típicamente es lo que más tarda en calentarse. Por eso es mejor referencia de la temperatura del motor la temperatura del aceite.

¿Qué se puede hacer para mitigar este efecto?

Pues como con la resistencia de rodadura, poca cosa. Si vives en un clima muy frío ayuda bastante que el coche duerma en un garaje caliente. Por ejemplo un garaje subterráneo puede estar a unos 15ºC, si una mañana muy fría el coche puede bajar hasta -5ºC, has ganado 20ºC.

Lo que no hay que hacer si quieres ahorrar combustible es esperar un rato al ralentí antes de iniciar la marcha. Como ya hemos visto más arriba hace falta bastante combustible para conseguir que el motor se caliente, lo conveniente es utilizar ese combustible para avanzar. Eso si, para alargar la vida del motor, evitar acelerones y llevar el motor a régimen elevado mientras está frío. En cuanto la temperatura del aceite suba ya se puede acelerar y revolucionar el motor.

Continuará...