2 de mar. de 2013

EL CONSUMO ESPECÍFICO II - LA CURVA DE MÁXIMA EFICIENCIA

En el post en que se explicaba el consumo específico y el diagrama de consumo específico dejé pendiente explicar la curva de máxima eficiencia. La curva de máxima eficiencia es la que contiene los puntos de máxima eficiencia del motor para cualquier potencia. Es decir, es la curva que seguiría el coche con un cambio de marchas continuo. En este post explicaba que es un cambio de marchas continuo.

Si se dispone del diagrama de consumo específico del motor obtener la curva de máxima eficiencia es sencillo, únicamente hay que buscar para cada potencia el punto donde el consumo específico mínimo.
NOTA: dado que la potencia de un motor es el régimen por el par, las curvas de potencia constante corresponde a funciones inversas, es decir de fórmula y = k/x. Simplemente hay que representar estas curvas de potencia constante y buscar en qué punto el consumo específico es mínimo. En la figura de más abajo las curvas de potencia constante se representan en azul.

La mejor forma de verlo es con un ejemplo. Vuelvo a utilizar el diagrama de un motor turbodiésel del grupo Volkswagen que ya he utilizado en varias ocasiones en el blog (fuente Wikipedia):



Como es lógico el polo económico es uno de los puntos de la curva. Para que esta curva sea un poco más gráfica la represento de la siguiente manera:
  • Consumo específico en función de la potencia.

  • Régimen del motor en función de la potencia.



Veamos algunas conclusiones que se pueden obtener de estas curvas:
  • El motor tiene un rendimiento próximo al óptimo en un rango de potencias muy amplio. Dependiendo del motor (gasolina o diésel, 2 o 4 válvulas por cilindro, turbo o atmosférico) y en general en función de los refinamiento que tenga el motor, el rango en el que el rendimiento sea razonablemente bueno será mayor o menor. Por ejemplo en el caso del motor del Toyota Prius, que funciona con un ciclo Atkinson (se verá más adelante), o del motor de Honda mostrados más abajo (ambos de gasolina) se mantiene un buen consumo específico hasta la potencia máxima, en cambio en el motor turbodiésel mostrado más arriba se mantiene el buen rendimiento hasta el 90% de la potencia máxima. Sin embargo en todos los motores de combustión alternativa el rendimiento es muy malo a cargas muy bajas. Por ejemplo en el motor turbodiésel mostrado más arriba esto ocurre para potencias inferiores al 15% de la potencia máxima. Esta incapacidad de conseguir un rendimiento aceptable a cargas muy bajas explica porque los consumos son mediocres en coches con mucha potencia (esto se mostraba en este post).

  • En general es una mala idea para el consumo del coche seguir el consejo de llevar el motor en el régimen de par máximo. En realidad debemos ajustar el régimen del motor a la potencia necesaria. Para potencias muy bajas habrá que circular a un régimen muy bajo (como mostraba en este post), para potencias bajas habrá que circular a régimen bajo, es decir por debajo del par máximo (como mostraba en este post), y sólo para potencias altas hay que circular en un régimen en el entorno del par máximo. Obviamente, si tienes que circular a potencias muy altas (por ejemplo en el turbodiésel mostrado más de 45KW) hay que circular a un régimen por encima del par máximo, sin embargo en un coche con una potencia suficiente es raro que sea necesaria tanta potencia, por tanto, en la mayoría de los coches únicamente en el caso de extremos está justificado (desde el punto de vista del consumo) circular a un régimen por encima de la zona de par máximo. Salvo que circules a velocidades elevadísimas, típicamente los casos extremos en los que se requiere que el motor trabaje en la zona de máxima potencia se reducen a adelantamientos, incorporaciones delicadas a una vía rápida y tal vez subida de pendientes fuertes en autopista.

  • Salvo que tengas un coche con una transmisión continua, por ejemplo un Toyota Prius; únicamente conseguirás hacer funcionar el motor en la curva de máxima eficiencia en un punto para cada marcha (o a lo sumo dos puntos). Por ejemplo, supongamos que estás circulando en llano a velocidad constante con un coche con cinco marchas. Normalmente únicamente a cinco velocidades determinadas (una para cada marcha) conseguirás llevar el motor en la curva de máxima eficiencia. Si te mueves a velocidades bajas (típicamente hasta 70Km/h o 80Km/h) es fácil moverse en la zona de la curva de máxima eficiencia evitando algunos rangos de velocidad poco favorables (ver este post donde se muestra un caso real), sin embargo si te mueves a velocidades típicas de autopista no dispones de marchas suficientemente largas para que el motor funcione en la curva de máxima eficiencia (este problema se explicaba en este post). En realidad hay una solución, disponer de un cambio muy largo de 7 o 8 marchas. Como mostraba en este post, en la práctica sólo se encuentra coches de 7 o 8 marchas con cambios automáticos.
La curva de máxima eficiencia que he mostrado en la figura de más arriba es la típica curva de un motor diésel, para potencias elevadas la curva sigue la curva de par máximo. Por eso en un motor diésel no suele ser un problema para el consumo pisar el acelerador mucho (cuando se requiere mucha potencia). No suele ocurrir lo mismo en un motor de gasolina. Esto ya lo he comentado alguna vez, por ejemplo en este post. También se ve muy claramente en la curva de máxima eficiencia:


NOTA: consumo específico en g/KWh. Motor de gasolina IMA de Honda, cilindrada 1,4l, datos año 2006. Fuente tesis doctoral de J. V. Baalen. El régime del motor su muestra en radianes por segundo. 1 rad/s = 9,55rpm.

Los datos corresponden a un motor de gasolina convencional (ciclo Otto). Esa curva roja un tanto errática es la curva de máxima eficiencia (OOL = Optimal Operating Line). Fijaros como para este motor la curva siempre está claramente por debajo de la curva de par máximo.

Continuará...

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