9 mar. 2013

EL CONSUMO ESPECÍFICO III - APLICACIÓN PRÁCTICA DE LA CURVA DE MÁXIMA EFICIENCIA

...Continuación post anterior.

En el post anterior he presentado la curva de máxima eficiencia de un motor de combustión. Para que se entienda mejor el concepto ahora voy a mostrar como afecta al consumo de un coche real. Partimos del diagrama de consumo específico que mostré en el anterior post. Como comentaba, se trata de un motor turbodiésel de 90CV, desarrollado por el grupo Volkswagen hace 15 años:



Tal y como hice en la serie sobre conducción en pendientes, Elijo un Volkswagen Golf que montaba este motor para obtener algunos números rápidos:


NOTA: las principales características de este coche, los supuestos realizados y el modelo utilizado para simular el consumo de este coche se muestran en este post y en este otro post.


Comencemos analizando lo que ocurre circulando en llano a velocidad constante

¿A qué velocidades hay que circular para que el motor funcione en alguno de los puntos de la curva de máxima eficiencia?

La respuesta es sencilla:

Velocidad
(Km/h)
Marcha Régimen motor
(rpm)
9 1000
16 1000
25 1000
35 1000
45 1000

¡Únicamente podemos circular a velocidades típicas de circulación urbana! Para cualquier velocidad superior necesitaríamos marchas más largas para conseguir que el motor funcione sobre la curva de máxima eficiencia. Para mostrar más claramente lo que os comento hagamos el cálculo inverso:

¿Circulando a 120Km/h, cual es el desarrollo óptimo? La potencia necesaria para circular en estas condiciones es de 20KW. En esta estimación falta añadir las pérdidas de la transmisión. Si supongo un rendimiento de la transmisión del 97%, la potencia que tiene que suministrar el motor es de 20/0,97, es decir casi 21KW. En el anterior post mostraba como para esa potencia el óptimo es un régimen de 1500rpm, por tanto el desarrollo que necesitamos es de 120/1500 = 80Km/h×1000rpm.
Es decir para circular por autopista es deseable un desarrollo muy largo. Por ejemplo harían falta 7 o mejor 8 marchas para disponer de una marcha tan larga.
NOTA: en la práctica no son necesarios desarrollos tan largos. Como mostraba en el primer post sobre consumo específico, con un desarrollo de 68Km/h×1000rpm es suficiente para la marcha más larga.


Veamos lo que ocurre circulando con el motor muy cargado

Acabamos de ver que en llano y a velocidad constante normalmente es difícil circular en la curva de máxima eficiencia a velocidades típicas de carretera y autopista. Sí que es posible si el motor está mucho más cargado. Para ello hay que acelerar o subir una pendiente. Como el diagrama de consumo específico no es válido en condiciones de aceleración, estudiaremos el caso de una pendiente elevada. En particular el caso de una pendiente del 7,5% (reutilizamos los cálculos de este post):

En estas condiciones podemos circular a 7 velocidades distintas sobre la curva de máxima eficiencia:

Velocidad
(Km/h)
Marcha Régimen motor
(rpm)
9 1000
16 1000
25 1000
42 1200
77 1700
117 2600
130 3700

Represento estos puntos en la misma gráfica que calculé de consumo en función de la velocidad:
NOTA: en esta gráfica se representa el consumo del coche para cada una de las cinco marchas en función de la velocidad. También se añade una curva discontinua donde se sugiere la marcha más razonable para cada velocidad.



Veamos qué conclusiones se pueden sacar de esta gráfica:

  • Si unimos los siete puntos obtenemos el mínimo consumo posible para cada velocidad si tuviéramos un desarrollo óptimo.
    NOTA: en realidad harían falta más puntos para obtenerla curva con algo más de precisión. Además en esta curva tiene importancia el rendimiento del sistema de transmisión. El principio el rendimiento debería ser pero cuanto más corto es el desarrollo.
  • Como disponemos de un coche de 5 marchas el menor consumo no tiene por qué darse sobre la curva de máxima eficiencia. Veámoslo con un ejemplo. Circulando en 2ª marcha el mínimo de consumo se da a 25Km/h. En cambio en la curva de máxima eficiencia (velocidad de 16Km/h) se consume más. Sin embargo con una marcha más larga se puede consumir bastante menos a 25Km/h, de hecho se da la casualidad que el desarrollo de la 3ª marcha es el óptimo para circular a 25Km/h.
    NOTA: normalmente a más velocidad más consumo. Sin embargo esto deja de ser cierto a muy baja velocidad (en este ejemplo a menos de 35Km/h). El consumo del coche es el resultado de multiplicar el rendimiento del motor por el par que debe suministrar el motor. A muy baja velocidad aumentan ambos términos. Por una parte empeora el rendimiento del motor (como ya he comentado en numerosas ocasiones), y por otra aumenta el par necesario. El motivo está en la potencia auxiliar. La potencia auxiliar es la que consumen los elementos auxiliares del coche (típicamente dirección asistida, climatización, ventilador del radiador y cualquier otra potencia a través del alternador). Como la potencia auxiliar es poco dependiente con la velocidad (de hecho en mi modelo supongo el término constante), cuanto más despacio circulas más aumenta el consumo, ya que la potencia es proporcional al par por la velocidad. Si la velocidad es menor el par es mayor. Por eso en este ejemplo la resistencia que tiene que vencer el motor es la misma a 10Km/h y a 65Km/h. Por eso cuando se circula a baja velocidad es muy importante disponer de sistemas eficientes que reduzcan al máximo la potencia auxiliar.
  • Si dispones de un cambio de marchas continuo parece una buena idea seguir la curva de máxima eficiencia. Sin embargo cuando sólo dispones de un cambio manual de cinco marchas hay zonas en el que el funcionamiento del motor es inestable.  Veámoslo con un ejemplo. Supongamos que circulamos en 3ª marcha en la curva de máxima eficiencia, es decir en este ejemplo a 1000rpm, si por un despiste o un aumento de la pendiente el régimen del motor bajara a 950rpm costaría bastante recuperar un régimen de 1000rpm, e incluso puede que hubiera que reducir a 2ª marcha. Esto no ocurriría si tuviéramos un cambio continuo como el Toyota Prius, ya que en estas condiciones el control del cambio pasaría a un desarrollo más corto automáticamente, permitiendo acelerar sin dificultad hasta 1000rpm. Sin embargo, aunque no sea siempre recomendable llevar el motor en la curva de máxima eficiencia, si es una muy buena guía de por donde hay que llevar el motor del coche. Fijaros como las marchas que recomendaba en este post para cada velocidad (curva en negro en la gráfica de más arriba) se parece mucho a la curva de máxima eficiencia. Y si este coche dispusiera de más marchas aún se parecería más.

Conclusión final:

Como ya comentaba en el post anterior, la principal lección que hay que sacar de todo esto es que hay que ajustar las revoluciones del motor a la potencia que suministra el motor.

Por ejemplo para un coche con una potencia normal (por ejemplo coches con velocidad máxima en el entorno 160Km/h y 200Km/h). Para velocidades muy bajas (típicamente circulación urbana) hay que llevar el motor muy por debajo del par máximo (en realidad tan bajo como te permita las características del motor de tu coche). Para velocidades típicas de carretera hay que llevar el motor un poco más revolucionado, pero por debajo del par máximo. Para velocidades típicas de autopista hay que llevar el motor en el entorno del par máximo. Desgraciadamente en la mayoría de los coches no se dispone de marchas suficientemente largas para que el motor esté tan poco revolucionado en autopista.

Cuando se requiera más potencia, es decir al acelerar o subir cuestas, el régimen del motor se aumentará. En la mayoría de las condiciones reales no hay que subir el régimen demasiado (por ejemplo aumentar el régimen en 1000rpm suele ser suficiente para subir cuestas pronunciadas y acelerar bastante el coche).

Por el mismo motivo cuando bajamos pendientes o deceleramos el coche el régimen del motor se ha de reducir al mínimo posible.

La potencia del coche tiene un efecto importante. Si dispones de un motor potente  el régimen de funcionamiento ha de reducirse más. En el caso de un motor muy potente ni siquiera es conveniente (desde el punto de vista del consumo) circular cerca del par máximo, lo conveniente suele ser llevar siempre el motor muy poco revolucionado.

En cambio si tienes un motor muy justo de potencia el régimen ha de aumentarse más. En estos coches en adelantamientos o subida de cuestas importantes será necesario revolucionar el motor muy por encima del par máximo, buscando la zona de máxima potencia.

Además, no hay que olvidar que cada motor es diferente. La curva de máxima eficiencia puede variar mucho de un motor a otro. Por eso es importante conocer para tu coche a qué régimen hay que llevar el motor para que el consumo sea mínimo. Por ejemplo como mostraba en este post, mi coche sólo funciona correctamente a 1000rpm (en llano a velocidad constante) en 1ª marcha y 2ª marcha.

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