CONDUCCIÓN RACIONAL ECONÓMICA Y SEGURA

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2. TECNOLOGÍA DE LA VEHÍCULOS Y DE LOS MOTORES

Características de par y potencia en los motores actuales y diferencias con las antiguas tecnologías

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Introducción

Para la correcta comprensión de los conceptos asociados a la Conducción Eficiente, es de gran utilidad el conocimiento de una serie de aspectos técnicos sobre los motores y el comportamiento de los vehículos. Cuanto mejor conocimiento se tenga del vehículo, mejor utilización se hará del mismo.

Conceptos de Potencia y Par Motor

El funcionamiento de un motor tiene como objetivo fundamental, la extracción de la energía almacenada en el carburante en forma química, y su transformación en energía mecánica, para la realización de un trabajo.
El carburante se transforma en potencia precisamente quemándose de manera controlada en el interior de los cilindros del motor.

Para su combustión necesita del aire, tomado de la atmósfera y comprimido por el turbo. En el proceso se eleva la temperatura de la cámara de combustión, haciendo que los gases en su interior se inflamen y tiendan a expandirse, empujando al pistón hacia abajo por el interior del cilindro y transmitiendo la fuerza a las bielas y desde éstas al cigüeñal. Esta energía mecánica se aprovecha después para mover el vehículo.
Para realizar una conducción eficiente, es necesario el conocimiento de las prestaciones que se le solicitan al motor en cada momento, por lo que conviene entender los términos de par y de potencia, cómo se actúa sobre ellos y su relación con el consumo.

Las dos características que mejor describen las prestaciones de un motor de combustión interna de un vehículo son sus curvas de potencia máxima y de par motor máximo.

Concepto de Par o Torque

El concepto de par, se puede entender como una fuerza de rotación aplicada al final de un eje giratorio.

par o torque

Por ejemplo, la fuerza que se hace para girar un destornillador a la hora de enroscar un tornillo es un par. Cuanto más par se desarrolle, más se podrá apretar el tornillo.

En un vehículo hay que distinguir dos pares fundamentales:
  • El Par Motor. Es el par desarrollado por el motor en cada instante y medido en el final del cigüeñal, volante de inercia o primario del embrague. Se produce debido a la combustión del carburante en los cilindros, por lo que, en general, cuanto más se apriete el acelerador mayor será el par obtenido.
  • El Par en Rueda. Es el par que se aplica en la rueda, proporcionando la fuerza de tracción que será la que realmente mueva el vehículo. Es diferente al par motor, puesto que la caja de cambios se encarga de multiplicarlo, ya que, como se verá después, al reducir la velocidad de giro en la caja se multiplica el par.

El Par Motor Máximo, que es el dato habitualmente proporcionado por los fabricantes, es la máxima fuerza de giro que puede proporcionar el motor. Se da solamente en unas condiciones determinadas:

  1. Plena carga: acelerador pisado al 100%.
  2. Régimen de revoluciones de motor intermedio, que es aquel en el que se consigue la optimización de diversos factores, entre ellos el rendimiento del turbo y la combustión.

A cargas parciales, es decir, sin el acelerador a fondo, no se puede obtener el par máximo del motor.

Concepto de Potencia

La potencia es la “cantidad de trabajo que puede desarrollar un motor en un tiempo determinado”. Cuanta más potencia tenga un motor, más trabajo podrá realizar en el mismo tiempo.

Con un motor más potente, un camión puede:

  • Acelerar un vehículo más deprisa.
  • Subir una pendiente a más velocidad.
  • Remolcar cargas más pesadas.

Como se puede ver en la figura, el motor proporciona en cada momento un par y un régimen de giro.

El valor de la potencia en cada instante se obtiene al multiplicar el par por el régimen de giro:

Potencia (CV) =  Par motor (Nm) x Régimen (r/min)
                                 7024

 

Por ello, en un motor aumenta la potencia, bien por que se aumente el par apretando el acelerador, o bien porque se aumente el régimen de giro.

La potencia máxima suele darse a altos regímenes (revoluciones) del motor y el par máximo a regímenes medios o bajos.

En un motor que funciona a potencia máxima (régimen de motor elevado y acelerador a fondo), el consumo es muy elevado. En circunstancias normales de circulación, no es necesario el desarrollo de potencias tan elevadas, las cuales dan lugar a mayores consumos de carburante.

 

Curvas características del motor y curvas de equiconsumo

Un motor de automoción normalmente trabaja en condiciones distintas a las de plena carga (acelerador a fondo). Para conocer cuáles son las prestaciones del motor en cualquier condición de régimen de giro y posición del acelerador, se utilizan las curvas características.
Estas curvas permiten entender las posibilidades de utilización del motor de un vehículo y estudiándolas con detalle se obtienen las características principales que definen el comportamiento de cada motor.

Curvas de Par y de Potencia

  • Curva de par a plena carga: es la habitualmente proporcionada por el fabricante, y muestra el par máximo proporcionado por el motor a cada régimen de giro cuando la carga es máxima, es decir, el acelerador está pisado a fondo.
  • Curva de par a carga parcial: muestra el par proporcionado por el motor a diferentes posiciones del pedal acelerador, por ejemplo al 25%, 50% ó 75% de su recorrido.
  • Curva de potencia a plena carga: es también la que habitualmente proporciona el fabricante, y muestra el valor de la potencia que entrega el motor a cada régimen de giro cuando la carga es máxima, es decir, el acelerador pisado a fondo.
  • Curva de potencia a carga parcial: muestra la potencia proporcionada por el motor en función de las revoluciones del mismo, es decir a posiciones del pedal acelerador de, por ejemplo, el 25%, 50% ó 75% de su recorrido.

curvas de par y potencia motor de combustión

Los valores límites de revoluciones que definen estos rangos, varían de un vehículo a otro y son normalmente facilitados por el fabricante en la documentación técnica del vehículo, y en caso de no disponerse de los mismos, se recomienda solicitarlos al fabricante.

Intervalo Optimo de funcionamiento de los motores

El intervalo de revoluciones de par máximo va a ser la referencia para la realización de los cambios de marcha y de la circulación del vehículo de una forma eficiente.

Mientras que el de potencia máxima será utilizado para las situaciones más exigentes de utilización del motor, dando lugar a mayores consumos de carburante.

Curvas de Equiconsumo

Estas curvas se suelen dibujar sobre las de par (o de potencia) del motor y representan líneas de nivel de consumo específico constante. Es decir, las condiciones del motor en cada curva son tales que la cantidad de gramos de combustible necesarios para producir una determinada cantidad de energía es constante, o lo que es lo mismo, en las que el rendimiento del
motor es constante.

El Consumo específico indica la eficiencia que tiene un motor para transformar carburante en energía mecánica.

Existe una zona, denominada “Polo o Zona de mínimo consumo”, que proporciona el menor valor de consumo específico (en g/CVh o en litro/CVh), es decir el mejor rendimiento del motor.

curvas de equiconsumo

La zona de consumo específicos mínimos está situada normalmente en regímenes ligeramente inferiores al de par máximo o en la zona más baja del mismo, y con acelerador bastante apretado, aunque no a fondo (en torno a las 3/4 partes de su recorrido). El régimen de consumo mínimo baja cuando el acelerador está menos apretado.

Por lo tanto, mantener el motor en condiciones de trabajo cercanas a las de menor consumo específico proporciona menores consumos para una misma cantidad de energía producida. En estas condiciones el motor aprovechará mejor el carburante por lo que el vehículo consumirá menos haciendo el mismo trabajo, o lo que es lo mismo, realizando el mismo trayecto.

Las “curvas equiconsumo” dan información sobre las zonas de mínimos consumos por unidad de potencia entregada. Si sobre dichas curvas se superponen las de respuesta del motor a varias posiciones del pedal acelerador, se puede ver que a potencia constante, existe una zona de régimen de giro donde el consumo específico es mínimo, y por tanto, si se circula en estas condiciones, lo será también el consumo medido en l/100 km.

 

Esta zona se corresponderá con la parte inferior de la zona verde del cuentarrevoluciones. Será la zona dónde se alcanza un mejor equilibrio entre la cantidad de aire que hay en el cilindro, la cantidad de carburante que se inyecta y el tiempo necesario para quemarlo, por tanto, se consigue un mayor aprovechamiento del carburante.

zona verde del cuenta revoluciones

Un motor consumirá menos caudal de combustible cuanto más baja sea la potencia que se le demande. Un vehículo necesita más potencia para ir a mayor velocidad, pues aumentan las resistencias aerodinámica y de rodadura. En la situación de circulación a una determinada velocidad, se necesita una cantidad fija de potencia entregada por el motor.

La potencia necesaria para circular se puede obtener de distintas formas:

  • A altas revoluciones: circulando en relaciones de marcha que no son las más largas y con el pedal acelerador poco pisado.
  • A más bajas revoluciones: circulando en marchas más largas y con el acelerador pisado en mayor medida, concretamente en torno a las 3/4 partes de su recorrido. el motor trabajará en la zona de mínimos consumos específicos, consumiendo considerablemente menos que en el primer caso.

El motor como consumidor de energía

Parte de la energía de la combustión se pierde en su transferencia hacia el eje de salida del motor. Estas pérdidas son inevitables y, en cierta manera, necesarias para que pueda funcionar.

maquina de consumo

Las más importantes son las que se detallan a continuación:

  • Sistema de refrigeración: el fluido refrigerante (agua + aditivos) se encarga de mantener la
    piezas internas del motor a una temperatura adecuada para su funcionamiento. Aproximadamente el 15% de la energía extraída del combustible se pierde en forma de calor disipado a través del sistema de refrigeración.
  • Gases de escape: los gases que salen por el escape lo hacen a temperaturas elevadas (400 – 500 ºC), llevándose consigo casi un 30% de la energía del carburante.
  • Pérdidas de energía de origen mecánico: son las debidas a los rozamientos internos de las diversas piezas del motor y las debidas a gasto de potencia para los servicios auxiliares de las bombas de inyección de aceite, y de agua y para el alternador. Rondan el 15 % de la energía del combustible.

Por lo tanto, queda aproximadamente un 40 % de la energía inicial, la cual es proporcionada por el motor en forma de potencia para accionar la transmisión.
Como en ésta se pierde aproximadamente otro 10 % de la energía disponible inicialmente, a la rueda llega sólo en torno al 30 % de la energía del combustible, cuando un vehículo avanza por una carretera a velocidad constante.

Diferencias con las antiguas tecnologías

Sistema de Carburación

En el sistema de carburación, la mezcla se forma en el carburador. Vamos a hablar del carburador de flotador, por ser uno de los más extendidos.

La función del carburador es proporcionar en todo momento la mezcla adecuada de aire-combustible.

El sistema de dosificación de la mezcla consta de 4 sub-sistemas.

  1. Venturi o difusor.
  2. Cuba de nivel constante.
  3. Válvula de mariposa.
  4. Compensadores de mezcla.

La misión de este componente es dosificar la mezcla, para un rendimiento óptimo, debemos mezclar el aire que entra al motor, con la gasolina.

El paso de un fluido por un tubo, a una presión constante y velocidad constante, nos permite, modificando el diámetro de ese tubo, variar la presión en un punto, por ejemplo con un estrechamiento, esto es el llamado efecto Venturi. Debido a éste descenso de presión, en éste punto se puede aspirar la gasolina, de un depósito incluido en el carburador, la cuba y pasar su forma líquida a gas, emulsionándola con el aire. Es muy importante que la gasolina haya pasado a estado gaseoso, pues únicamente así se podrá mezclar uniformemente con el aire y esto posibilitará una buena combustión.

carburador

Como se puede apreciar en la imagen, la parte inferior del carburador se llena de combustible proveniente del depósito, es la llamada cuba. Para controlar el nivel de éste pequeño depósito dispone de un flotador, boya y una válvula de aguja o lápiz, que cierra el paso de combustible a la cuba cuando ésta está llena.

En la parte superior está la campana, que es el elemento que accionamos en un carburador de tiro directo, levantándolo al accionar el puño del gas. Ésta lleva incorporada una aguja, que permitirá mas paso de combustible de la cuba al difusor, que es dónde se mezcla el aire con la gasolina. También al elevar la campana, se permite mas paso de aire por el carburador, así que todo quedará compensado, mas aire y mas gasolina.

Al cerrar el puño del gas la campana baja, por efecto de un muelle, por lo que se reduce el paso de aire y también el de gasolina, manteniendo la mezcla correcta.

Sistema de Inyección Electrónica

En este caso la mezcla no se prepara en el carburador, vamos a tener unos inyectores que se van a encargar de pulverizar el combustible.

Dependiendo donde lo  hagan tenemos 2 clasificaciones. Inyección directa e inyección indirecta.

  • Inyección indirecta: En este caso, el combustible es inyectado en los conductos de admisión, cerca de la válvula de admisión.
  • Inyección directa: El combustible se inyecta directamente dentro del cilindro.

Aquí los encargados de suministrar el combustible adecuado son, la bomba de combustible y la unidad de control aire/combustible conocida también como Centralita o  Unidad de Control electrónico (ECU) que  que regula la alimentación en el motor. Posteriormente el combustible llega hasta los inyectores donde es pulverizado y se mezcla con la corriente de aire para posteriormente ser quemado en los cilindros.

¿Qué ventajas tiene la inyección frente al sistema de carburador?
Son varias las ventajas que tiene el sistema de inyección.

  • Ausencia de formación de hielo. Ya que no tiene un venturi donde cae la temperatura debido a la aceleración de la corriente del aire.
  • Insensibilidad a la gravedad o a las actuaciones del vuelo. Debido a que no tiene un sistema de flotador que se pueda ver afectado.
  • Funcionamiento muy suave y regular del motor. Debido a la mejor distribución de la mezcla en el cilindro.
  • Consumo muy exacto del combustible. Ya que la cantidad de combustible inyectado es muy precisa, no como en el sistema de carburador.
  • Menor consumo de combustible. Debido al mejor aprovechamiento y mayor precisión en el sistema.
  • Mayor fiabilidad general del sistema.

 

¿Qué hace la centralita tras recibir esa información?

Consulta su mapa de distribución para inmediatamente después decidir el tiempo óptimo de apertura de los inyectores. Y así la centralita envía una señal electrónica al inyector para que la aguja que cierra el paso se retire y permita que se inyecte combustible o bien se cierre y lo impida.

unidad central electrónica

Pero vamos a ver de forma más detallada y paso a paso cómo funciona el sistema de inyección electrónica de un vehículo.

  1. La bomba de combustible extrae el combustible del depósito para que circule por los conductos del sistema de alimentación. Este dispone de un filtro de combustible que elimina las posibles impurezas que hubiera en el depósito.
  2. El combustible llega a la rampa de inyección. Allí se acumula a la presión adecuada. De ello se encarga una pieza llamada regulador de presión. Esta pieza es la que devuelve el combustible sobrante al depósito.
  3. La centralita gracias a los sensores distribuidos por el motor detecta la cantidad de combustible que debe suministrar a los inyectores y procede a hacerlo encargándose además de que entre la cantidad de aire preciso por el cuerpo mariposa.

El sistema de inyección electrónica consta de una gran número de piezas o componentes.

  • Bobinas de encendido. Su cometido es alcanzar la tensión adecuada para que las bujías puedan prender la mezcla de aire y combustible.
  • Bomba de combustible eléctrica y sensor de nivel. Mide la cantidad de combustible y lo bombea fuera del depósito.
  • Bujías. Producen la chispa necesaria para que el combustible prenda.
  • Centralita, también conocida como UCE o Unidad de Control Electrónica. Recaba todos los datos enviados por los sensores, detecta la cantidad de combustible que debe suministrar y se encarga de que pase la cantidad de combustible y aire precisos.
  • Cuerpo mariposa y su sensor de posición. Es la válvula que controla cuánto aire va hasta el motor.
  • Filtro de combustible. Capta las impurezas del combustible, si las tiene, impidiendo que pasen de ahí.
  • Inyectores piezoeléctricos. Proporciona el combustible a la cámara correspondiente para que se mezcle con el aire.
  • Rampa de inyección o Common Rail. Retiene la cantidad de combustible necesaria para el motor y se abre o cierra para amortiguar las pulsaciones en el fluido de los inyectores.
  • Regulador de presión de combustible. Mantiene esta presión a un nivel constante y, cuando la presión es muy alta, mantiene la adecuada abriendo una válvula que devuelve la parte sobrante al depósito.
  • Válvula EVAP de control de evaporación de gases del cánister.

A esto hay que añadir una gran variedad de sensores. Según lo que detecten, la centralita toma una u otra decisión y acciona distintos elementos para que el funcionamiento sea el adecuado.

  • Sensor del caudal de aire o sensor MAF, Mass Air Flow. Mide la cantidad de aire aspirado por el motor en cada momento.
  • Sensor de temperatura del aire de admisión. Mide la temperatura del aire.
  • Sensor de revoluciones del árbol de levas. Informa sobre la velocidad y revoluciones a las que el árbol de levas gira.
  • Sensor de picado o detonación. Detecta vibraciones por esta causa.
  • Sensor de revoluciones del cigüeñal. Detecta la velocidad a la que gira el cigüeñal.
  • Sensor de temperatura del líquido refrigerante. Mide la temperatura del líquido refrigerante del motor.
  • Sondas Lambda de control de gases de escape. Hay dos. Miden la cantidad de oxígeno de los gases de escape.
  • Sensor de posición del pedal acelerador. Comprueba cuánto presiona el conductor el acelerador.

Gracias a las inyecciones electrónicas existen condiciones de utilización de los motores en las que el consumo de carburante es cero.

Cuando el sucede que el consumo es cero: Cuando el motor se encuentra girando sin pisar el acelerador, con la relación de marchas en la que se circula engranada (retención), estando o no accionado el retardador, la Central Electrónica corta la inyección  al detecta que no hay demanda de combustible por parte del conductor, y no se inyecta combustible en los cilindros, es decir, no se consume carburante.
Cuando al reducirse la velocidad del vehículo el régimen del motor se acerca el de ralentí, esta condición desaparece, volviendo a inyectarse una pequeña cantidad de combustible para asegurar que el motor no se pare.

 

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