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.

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