Consumo con motor térmico

Consumo y contaminación

El consumo se mide por los litros cada 100 km que un automóvil gasta durante su utilización. Contaminación es la cantidad y reparto de gases contaminantes que emite por el escape durante el uso. En este artículo me voy a centrar en el consumo, del que un % más o menos constante corresponde a la emisión de CO2, que no es contaminante directo pero potencia el efecto invernadero. Cuando se hable de consumo se hace también de CO2, pues uno y otro van asociados.

Reparto del consumo en el automóvil

El automóvil con motor térmico tiene un consumo variable según las condiciones de uso. Se facilitan unos datos de consumo homologado que se reproduce en cada modelo según unas estrictas normas. Este consumo es muy difícil de lograr en uso real, pero sirve de base comparativa entre modelos.

En esta ocasión vamos a comentar el reparto porcentual del consumo de combustible del automóvil de cada uno de los sistemas, órganos o aspectos que intervienen durante su funcionamiento. La base que voy a utilizar es un estudio de hace años que cayó en mis manos cuando impartía formación técnica en una marca de coches. Probablemente en la actualidad haya estudios más completos y que abarcan más aspectos, sin embargo este que vamos a ver da una idea clara de cómo y dónde se puede actuar para reducir el consumo de combustible.

Como se ha comentado al principio el consumo es muy variable según las circunstancias y uso. El estudio al que me he referido, y que tomo como base de lo que sigue, valora el reparto de consumo a 90 km/h, con acelerador en posición fija, en llano sin viento y rodando en la relación de cambio más larga. Se explica con detalle en las animaciones siguientes;

Primera animación, aerodinámica y rozamientos por rodadura;

    • Aerodinámica (30%); es responsable a 90 km/h del 30% del consumo del automóvil. Al avanzar, el coche ha de abrirse paso apartando el aire a los lados, por encima y por debajo. Según la capacidad con que lo haga un automóvil así será su eficacia aerodinámica. En otro artículo monográfico trataré este tema en el que la eficiencia de forma CX y Área Maestra o Superficie frontal son determinantes. Para tener una idea anticipada, a 120 Km/h sube a 55% la responsabilidad de la aerodinámica en el consumo y aumenta mucho más a mayor velocidad.

Soluciones; mejor CX, carenado de los bajos y pasos de rueda, menos holguras entre los abrientes, menos salientes de carrocería, carrocería más próxima al suelo, ruedas más estrechas y todo lo que mejore el paso por el aire. La superficie maestra no se debe reducir por el efecto claustrofobia.

    • Rozamientos por rodadura (19%); al circular el automóvil los neumáticos giran y el peso que soportan los deforma dinámicamente, lo que produce alteraciones elásticas en su forma que se van reproduciendo con cada giro. Esto supone unos rozamientos internos entre los diferentes componentes del neumático que hay que vencer con combustible. A más de 120 km/h la temperatura que alcanzan los neumáticos incrementa el rozamiento interno. Cuanto más peso soporten las ruedas mayor será el rozamiento generado en los neumáticos, así como circular con baja presión.

Soluciones; disminuir el peso del automóvil, complementos de baja fricción entre los componentes del neumático que rozan entre sí, esto último es una de las bases de los neumáticos de bajo rozamiento. Se entiende que no se reduce el rozamiento entre neumático y suelo que pueda afectar a la adherencia. Control frecuente de la presión de los neumáticos y/o incluir indicadores de presión como información en el cuadro de instrumentos.

Segunda animación, rozamientos del motor y pérdidas de calor;

    • Rozamientos del motor (14%); se refiere este apartado al rozamiento entre los diferentes elementos internos del motor. En la animación se ven algunos (resaltados en verde como el aceite en el cárter);
      • Cigüeñal y sus apoyos en bloque y bielas
      • Bielas con pistón en el bulón
      • Pistones y segmentos con los cilindros
      • Árbol de levas en sus apoyos
      • Levas con los sistemas de accionamiento de las válvulas
      • Válvulas con sus guías
      • Arrastre del sistema de distribución
      • También hay elementos externos que mueve el motor mediante la correa de accesorios, no representados en la animación

Soluciones; superficies de contacto más reducidas (sin afectar al desgaste), aceite de viscosidad autoadaptable a cada condición de marcha, rodamientos en puntos estratégicos de giro, distribución de bajo rozamiento (con rodillos), bomba de aceite de caudal según demanda, bomba de agua y compresor de aire acondicionado eléctricos, dirección asistida eléctrica,……

    • Pérdidas de calor (13%); el calor es energía, pero se ha de refrigerar el motor para mantenerlo en la temperatura óptima que protege a sus componentes, de esta función se encarga el sistema de refrigeración; cámara de refrigeración en el motor, radiador, electroventilador, bomba de agua, vaso de expansión, termostato, manguitos de conexión y líquido de refrigeración son los elementos principales (en negrilla los que se ven en la animación). La zona del escape está especialmente caliente y se evacua el calor al exterior para proteger a los componentes que conforman el sistema de escape y otros próximos.

Soluciones; si fuese posible más temperatura de funcionamiento se mejoraría el rendimiento del motor, era una de las ideas del motor cerámico. Con el control de temperatura variable se pueden lograr mejoras sobre todo en tráfico urbano o congestionado. La recuperación de al menos parte del calor – energía del escape para mover el automóvil bajaría el consumo, hay investigaciones al respecto de cogeneración térmica en el automóvil. Con el turbocompresor se aprovecha parte de la energía de los gases de escape.

Tercera animación, pérdidas de llenado y alimentación de combustible y encendido;

    • Pérdidas de llenado (11%); el llenado de los cilindros del motor es proporcional al par («fuerza») y potencia («velocidad») que desarrolla. La cantidad de masa que entra de aire y combustible, llenado, se quema produciendo la energía que empuja al pistón y mueve el motor. Cuanto mayor sea esta masa de admisión, llenado, mejor respuesta y rendimiento tendrá el motor, lo que se traduce en menos consumo. La geometría y curvas de los colectores de admisión y escape, la actuación de la/s mariposa/s de gases, el filtro de aire, el catalizador y demás sistemas anticontaminantes, silenciadores entre otros elementos alteran el llenado del motor, además de que es variable según las condiciones de marcha, RPM, aceleración, temperatura, presión atmosférica, etc. En la animación se aprecia la oscilación o vaivén de los gases de admisión y escape, es la resonancia provocada por los retornos de gases debido a la extrema velocidad de desplazamiento y los elementos que dificultan su movimiento.

Soluciones; la distribución de fase y alzado variable y la geometría variable del colector de admisión mantienen el par constante, “plano”, en un amplio margen de RPM. La sobrealimentación mejora sensiblemente el llenado, con la ventaja añadida de que el turbocompresor utiliza para moverse la energía de los gases de escape. Otra solución es el motor modular, en el que se pueden auto desconectar cilindros para que trabajen los restantes con el mejor llenado y rendimiento posible ante demandas parciales de prestaciones.

    • Alimentación de combustible/encendido (10%); además de un buen llenado hay que lograr que la mezcla aire – combustible sea extremadamente precisa y se queme en las mejores condiciones para que haya los mínimos residuos, es decir se aproveche al máximo la energía del combustible. En el motor de gasolina la mezcla ha de ser homogénea y se inicia la combustión por la chispa en la bujía. En el motor diésel el gasóleo se inyecta sobre el aire sobrecalentado en la fase de compresión iniciándose la combustión por auto inflamación del gasóleo al contactar con el aire caliente

Soluciones; mejor y más preciso control de la inyección en caudal y secuencias, aproximar los inyectores a la zona de combustión (inyección directa), sensores de calidad de combustión. En el motor de gasolina disponer de encendido directo con captador de detonación. En ambos motores tratar de lograr la combustión HCCI (se puede interpretar como control homogéneo del inicio de la combustión) de la que hablaré en otra ocasión.

Cuarta animación, rozamientos de la transmisión;

    • Rozamientos de la transmisión (3%); una vez generados el par y la potencia se ha de transportar hasta las ruedas motrices mediante los elementos de transmisión; embrague, caja de cambios, árbol de transmisión (según la implantación técnica), diferencial y palieres. Hay un conjunto de engranajes que al girar rozan entre sí y ejes con rodamientos que suponen una resistencia también. En conjunto hay resistencias al giro que suman todos los elementos que intervienen en la transmisión. Los automóviles con transmisión integral, 4×4, tienen más rozamientos de transmisión que se traduce en más consumo.

Soluciones; disminuir las superficies de contacto, rodamientos de baja resistencia, aceites de engranajes para reducir los rozamientos, menos elementos de giro, etc.

 

Sección “Tecnología limpias” del blog; diversos temas relacionados;

http://autastec.com/blog/category/tecnologias-limpias/

En las demás secciones del blog hay también artículos relacionados

 

Aerodinámica:

 

Funcionamiento del motor, llenado y alimentación/encendido:

 

Neumáticos;

 

Motor, refrigeración y lubricación;

 

Caja de cambios;

 

El diferencial;

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