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...

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