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 comentario:

  1. Estaba buscando información sobre la manera más eficiente de acelerar desde hace bastante tiempo, no encontré nada relevante en Internet (obviando este blog), salvo que en los coches más modernos (más eficientes), acelerar de un modo más "brusco" no se diferenciaba en términos de consumo de acelerar muy lentamente, porque los motores modernos tienden a tener el par máximo a un régimen más bajo que los motores de antes.

    Esta cuestión personalmente me nació porque acostumbraba a acelerar muy lentamente, como decían todos los manuales de conducción eficiente, mi motor es un turbodiésel common rail de 68 cv y 160 Nm a 1750 rpm, y haciéndolo (acelerando muy lentamente) me daba la sensación de que me llevaba "tanto" tiempo en marchas cortas, que sería mejor acelerar más ágilmente para llegar antes a marchas largas. Cosas de la vida me encontré con tu artículo tratando la misma detalladísima cuestión que no lograba que nadie me respondiese.

    De todos modos hice pruebas hace ya tiempo para sacar algo en claro, deduje lo mismo que mencionas. Hice un mismo recorrido que me sé de memoria acelerando rápido y otra vez muy suavemente, con la misma temperatura, mismo nivel de tráfico, e incluso mismas paradas en semáforos (que me sabía de memoria), el resultado fue que en ambos casos gastaba lo mismo, con la salvedad de que acelerando rápido ganaba en agilidad en el tráfico.

    ResponderEliminar