Ya comenté sobre la potencia, el par motor, etc., pero muchos desconocen qué es el concepto de potencia de freno o que existen otros tipos de potencias. La primera tiene relación tanto con la potencia y el par motor, es decir, con el rendimiento general del motor, pero tiene algunas particularidades muy interesantes.
Así que, vamos a ver qué son estos conceptos, cómo se miden, y en que afectan al desempeño de tu coche.
Potencia y potencia indicada
En términos generales, la potencia es la capacidad de realizar un trabajo en un determinado período de tiempo. Es decir, mide la rapidez con la que se puede transformar energía de una forma a otra, en el caso de los motores, cómo transforman la energía del combustible en energía mecánica. En física, se define como el producto de la fuerza aplicada sobre un objeto y la velocidad a la que se mueve ese objeto en la dirección de la fuerza.
P = dW / dt
Donde P es la potencia, W es el trabajo, y t es el tiempo. Para la potencia calorífica, concretamente, tenemos:
P = E / t
Es decir, la energía entre el tiempo, como la energía se mide en Julios (J) y el tiempo en (s), tenemos J/s como unidad de la potencia calorífica.
Potencia en los motores de combustión interna
En el contexto de los motores de combustión interna, la potencia se refiere a la capacidad del motor para convertir la energía química del combustible en energía mecánica, que a su vez mueve el vehículo. Por ejemplo, si tenemos un motor con una cilindrada de 2200 cc (2.2 litros), 5500 RPM, y un rendimiento térmico del 30% (0.3) de gasolina, entonces se puede calcular su potencia:
P = Cilindrada · RPM · 0,051517 · Rendimiento térmico
P = 2,2 · 5500 · 0,051417 · 0,3 = 186.48 CV
Potencia en los motores eléctricos
Para los motores eléctricos, se utiliza una fórmula diferente, que en este caso es la que determina cómo se transforma la energía eléctrica en energía mecánica para mover el vehículo. En este caso:
P = V · I
P = I² · R
P = V² / R
Donde P es la potencia en vatios (W), V es el voltaje en voltios (V), R es la resistencia en ohmios (Ω) e I es la intensidad de corriente en amperios (A). Teniendo en cuenta que 1 W = 0,00136 CV, o que 1 CV son aproximadamente 746W, y teniendo en cuenta la eficiencia y demás, se puede calcular la potencia de un motor eléctrico de esta manera:
P = I · V · Eficiencia · Factor de potencia (1,73/746)
En este caso tenemos que el factor de potencia es la relación entre la potencia y el amperaje, algo que es particular de cada motor, y también tenemos la eficiencia, y las constantes para potencia trifásica 1.73 y la constante de conversión de vatios a caballos 746. Por ejemplo, con un motor de 800v, 20A, rendimiento del 90% y factor 0,85:
P = 800 · 20 · 0,90 · 0,85 · 1,73/746 = 284.48 CV
Potencia Indicada
La potencia indicada es una medida de la potencia bruta generada dentro de las cámaras de combustión del motor. Representa la energía que se produce directamente a partir de la combustión del combustible. Sin embargo, esta potencia no es la que llega a las ruedas, ya que parte de ella se pierde por diversos factores como la fricción interna que genera energía en forma de calor, etc. De ahí que sea necesario calcular una potencia efectiva, o potencia de freno, que sí que tiene en cuenta esas pérdidas.
¿Qué es la potencia de freno o potencia efectiva?
La potencia de freno de un motor es la medida de la potencia efectiva que se entrega al cigüeñal, es decir, la potencia que realmente está disponible para mover el vehículo, teniendo en cuenta las pérdidas que no se tienen con las fórmulas anteriores. Por tanto, una cosa es la potencia indicada que teóricamente puede desarrollar el motor, y otra es la que realmente está disponible para el uso.
Ten en cuenta que se producen fricciones internas, partes del motor que rozan entre sí, por lo que generan pérdida de energía en forma de calor. Por eso los motores de gasolina tienen una eficiencia de entorno al 25-30% y los diésel del 40% aproximadamente, lo que indica que solo ese porcentaje de la energía del combustible realmente se aprovecha para el movimiento, el resto se está desaprovechando por estas fricciones, pérdidas por bombeo (la que se desperdicia al aspirar aire y combustible, así como expulsar los gases), resistencia aportada por elementos auxiliares como la bomba de agua, el alternador, etc.
Medir la potencia de freno con un dinamómetro
La potencia de freno se mide en un banco de pruebas. El motor se acopla a un freno dinámico que absorbe la potencia y la mide. De esta forma, se puede determinar la potencia efectiva que entrega el motor a diferentes revoluciones por minuto, para que los ingenieros puedan analizarlas durante las etapas de desarrollo y pruebas del motor.
Hay que decir que un dinamómetro es una herramienta para medir la potencia que produce un motor. El principio básico es el mismo: oponer una resistencia controlada al movimiento del motor. Al hacerlo, se puede medir la fuerza que el motor ejerce para vencer esa resistencia y, a partir de ahí, calcular la potencia mediante un sistema electrónico. En este caso, como se necesita la potencia aplicada al cigüeñal, se puede unir éste a un eje que sea el que genere la resistencia para calcularla.
Conceptos de fricción (estática y cinética)
La fricción es una fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies en contacto. Esta fuerza surge debido al rozamiento entre superficies, generando una resistencia al desplazamiento y calor. Esto genera la pérdida de potencia de la que comenté anteriormente, también aumenta el consumo de combustible, y produce mayor desgaste de las piezas. Además, el calor generado puede llevar a la dilatación de los materiales, lo cual hace que la fricción suba aún más, por eso se deben elegir materiales con un bajo coeficiente de dilatación térmico.
Para minimizar los efectos negativos de la fricción, los fabricantes de motores utilizan diversas técnicas, como ya sabrás, como el uso de lubricantes, implementación de materiales de baja fricción, y sistemas de disipación de calor o enfriamiento para evitar otros problemas asociados.
Tipos de fricción
Dentro de la fricción de un motor podemos diferenciar entre dos tipos:
- Fricción estática: es la fuerza que se debe vencer para iniciar el movimiento de un objeto que está en reposo sobre una superficie. En un motor, la fricción estática se manifiesta en diversos componentes, como las piezas móviles como los pistones, bielas, cigüeñal, etc., cuando están en reposo y se ponen en marcha para comenzar el movimiento. También se da en los cojinetes que soportan el peso de las piezas móviles, y presentan una fricción estática que debe superarse para iniciar la rotación. Otro caso son los engranajes, que encajan entre sí y se necesita también vencer esta fricción estática para iniciar su movimiento. Esta fricción solo se da cuando arranca el motor o cuando se emprende la marcha en algunos componentes.
- Fricción cinética: una vez que un objeto está en movimiento, la fuerza necesaria para mantenerlo en movimiento es menor que la fuerza necesaria para iniciarlo. Esta fuerza menor se conoce como fricción cinética. En un motor, la fricción cinética continúa actuando sobre las piezas móviles incluso cuando el motor está funcionando. En estos casos entran en juego fricciones entre superficies que están en contacto, como las piezas móviles, como los pistones, camisas del cilindro, etc., así como en los cojientes que ya están en movimiento y han vencido la fricción estática, o en los engranajes del mismo modo.
La fricción cinética afecta directamente a la eficiencia del motor a lo largo de todo su uso, y no solo al inicio, ya que una parte de la energía producida por la combustión se disipa en forma de calor debido a la fricción.
Potencia de fricción
La potencia de fricción en un motor de coche se refiere a la cantidad de energía que el motor consume para vencer la resistencia al movimiento causada por la fricción de sus componentes internos. Es decir, es la energía que se «pierde» en forma de calor debido al rozamiento entre las piezas móviles del motor. Esta energía es la que generará el desgaste y el calor, que no sirve para nada, puesto que un motor no está diseñado para calentar, sino para generar movimiento. Por tanto, toda la potencia eléctrica o del combustible invertida en esto, será desaprovechada.
Para tratar de reducir al máximo esta pérdida, como comenté antes, se puede hacer mediante la lubricación, los materiales de baja fricción, diseño de superficies que minimicen el contacto, sistemas de enfriamiento eficientes, y buscar tolerancias muy precisas.
Relación entre las potencias
La relación entre las distintas potencias puede resultar algo difícil, pero lo cierto es que es bastante sencillo. Por ejemplo:
Potencia de fricción = Potencia indicada – Potencia de freno
Potencia indicada = Potencia de freno + Potencia de fricción
Potencia de freno = Potencia indicada – Potencia de fricción
Potencia SAE
Si te parecían pocas las potencias anteriores, ahora vamos con otra, la potencia SAE. Pues bien, SAE son las siglas de Society of Automotive Engineers. Esta organización establece estándares y normas para la industria automotriz a nivel mundial, incluyendo la medición de la potencia de los motores. Cuando se habla de la potencia SAE de un motor, se refiere a la potencia medida bajo ciertas condiciones específicas establecidas por la norma SAE J1349. Esta norma define un procedimiento estandarizado para medir la potencia neta de un motor, es decir, la potencia que llega al cigüeñal después de restar las pérdidas por los accesorios del motor (como el alternador, la bomba de agua, etc.), como la potencia de freno.
Para hacer estas mediciones, se deben establecer una serie de condiciones específicas y controladas en el banco de prueba, manteniendo temperatura, humedad, presión atmosférica, se debe montar el motor completo, incluyendo la bomba de agua, alternador, etc. Esto es importante para conocer de forma real la potencia del motor, poder comparar entre distintos motores de forma precisa, aportar información al consumidor más fiable, o para usar para futuros desarrollo.
Por tanto, no hay que confundir la potencia bruta, la máxima que puede generar el motor en condiciones ideales, con la potencia SAE.
Eficiencia mecánica y pérdidas de calor
Por último, me gustaría destacar otro concepto que he introducido antes, que es la eficiencia mecánica del motor. Es una medida que indica qué proporción de la energía química del combustible se convierte en trabajo mecánico útil. En otras palabras, es una forma de evaluar qué tan bien el motor aprovecha la energía que se le suministra. Matemáticamente tenemos:
Eficiencia mecánica = (Potencia de salida / Potencia de entrada) · 100
La potencia de salida es la potencia que el motor entrega al cigüeñal, mientras que la potencia de entrada es la energía química del combustible que se quema. Nunca llegará a ser del 100%, como ya sabes, puesto que toda la energía del combustible no se transforma en movimiento. Eso sería lo ideal, pero la realidad es distinta.
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