El parell motor: què és i com influeix en el rendiment del motor

Quan veiem la publicitat que les diferents marques fan dels seus cotxes als mitjans de comunicació podem observar que, a nivell tècnic, se solen mostrar una sèrie de xifres relatives a la velocitat, al consum, a l'acceleració… en definitiva, uns números freds que a més un alt percentatge dels conductors no podran igualar mai. No obstant això, hi ha una dada física que sí que gaudeixen tots els conductors, que poques vegades es publicita ia la qual no fa molts anys sí que se li donava una certa importància: el parell motor.

No fa gaire temps, quan els cotxes encara no havien patit l'escalada de potència actual, es presumia del reprís del cotxe com la capacitat que tenia per guanyar velocitat. Aquesta afirmació popular, si bé a l'hora d'interpretar què és el reprís és correcta, per entendre el que és el parell motor es queda una mica curta o més aviat inexacta

Què és el parell motor?

El parell motor, també conegut com a torque, és una magnitud física que mesura el moment de força que cal aplicar a un eix que gira sobre si mateix a una determinada velocitat. Aplicat al món de l'automoció i explicat d'una manera que tots podem entendre es pot definir com la força necessària perquè el cigonyal del motor giri i, per tant, sigui capaç de transmetre aquest moviment a la resta d'elements mecànics necessaris per desplaçar el vehicle.

I aquí és on observem la primera diferència entre la realitat i el costum; quan ens referim al parell motor per expressar la capacitat d'acceleració que té un vehicle realment no estem definint el que és en si mateix el parell motor, tan sols descrivim una de les seves aplicacions. Això és així perquè el parell d'un motor mesura la potència necessària perquè el motor giri a un nombre determinat de voltes però no té en compte la potència suplementària que cal aplicar per modificar la velocitat angular de l'eix o cigonyal.

Una mica de física per explicar el parell motor

Per explicar-vos el que és el parell motor fugint de principis físics us explicaré la funció del cigonyal i de les forces que sobre ell actuen.

Un motor tèrmic genera energia als cilindres. En concret, és a les càmeres de combustió on es produeix l'explosió de la barreja del combustible-aire. És l'energia alliberada per aquesta explosió la que genera un moviment lineal en empènyer el pistó en sentit contrari al de la culata del motor. Els pistons dels diferents cilindres van units al cigonyal per les bieles i és just a la unió d'aquestes amb el cigonyal on es transforma el moviment lineal en moviment rotacional.

Cal nomenar en aquest punt l'excepcional construcció dels motors rotatius, en què les cambres circulars dels “cilindres” envolten directament un eix central que gira sobre si mateix mogut per les explosions produïdes a les cambres, per la qual cosa en aquest cas es genera directament el moviment rotacional. En qualsevol cas, els principis físics que actuen pel que fa al parell motor són els mateixos.

Fins i tot sense entrar en un estudi excessivament, per simplificar la idea de transformació d'energia, es podria afirmar que els blocs rotatius generen par motor en comptes de potència. No es pot fer una veritat de fe en aquest sentit perquè ni les càmeres ni el rotor dels motors rotatius són exactament circulars i la ignició del combustible es produeix en una porció de la càmera, a diferència dels motors amb cilindres convencionals en què la barreja combustible-aire ocupa tot el seu volum.

Tornant a l'explicació física, la força que fa el pistó sobre el cigonyal no és constant durant tot el procés dexpansió. Això és degut al fet que dins de cada cilindre el valor màxim de potència es genera en el moment de la ignició del combustible. I aquests moments de màxima potència porten també aparellats moments de màxim parell.

El retard entre el moment en què es genera la màxima potència al cilindre i aplica el màxim sobre l'arbre cigonyal no és un fàcilment calculable. Això és degut a que els pistons no fan un moviment purament lineal sinó que, pel fet que l'arbre cigonyal tampoc és totalment recte, realitzen un moviment que ajunta l'efecte lineal del pistó amb el circular dels rodaments de la biela.

No obstant això, aquests moments de màxima potència i màxim parell tenen una gran importància pel que fa a la percepció de la suavitat en el funcionament del motor.

Com més cilindres tingui el vehicle més vegades per minut existirà aquest moment de màxima força i més homogènia serà la percepció del conductor sobre el funcionament suau del motor.

Això és degut a que en un motor de 2 cilindres, hi haurà un sol moment de màxima força cada 360 º de gir del cigonyal, en un motor de tres cilindres succeirà cada 240 º, en un de sis cada 120 º i així successivament. És clar que això ha de ser interpretat com a teoria pura ja que a dia d'avui els fabricants s'esforcen que els seus motors siguin el més suau possibles pel que fa al seu funcionament.

aquest factor també influeix en el fet que al ralentí un motor generi més vibracions i que a més siguin més perceptibles: a 1.000 revolucions per minuts hi ha la meitat de moments de màxima força que a 2.000 revolucions. Per exemple, partint d'un règim de ralentí mitjà de 850 revolucions per minut, un motor tricilíndric generarà menys de deu moments de força al segon, mentre que un bloc de sis cilindres en generarà gairebé vint.

Si tenim en compte que l'humà “normal”, davant d'una força intermitent d'aplicació contínua, reconeix millor els intervals més grans a una dècima de segon que els inferiors, heus aquí l'explicació banal per la qual el gran públic reconeix les vibracions dels motors de dos o tres cilindres: perquè l'interval entre els moments de màxima fora és superior a una dècima de segon.

Quin parell lliura el teu motor?

En moltes publicacions sobre el món del motor se sol mesurar el parell que lliura el motor d'un vehicle. Aquesta afirmació, per definició, no és correcta mentre entenem que el parell és una força aplicada i no una força resultant. Tanmateix, també pel principi físic d'acció-reacció, quan sobre un eix que gira sobre ell mateix s'aplica un moment de força, automàticament es genera un altre moment de força de la mateixa intensitat i direcció però de sentit contrari a l'original (tercera llei de Newton).

Com calcular el parell motor – Càrrega motor

El parell motor es pot mesurar però el seu càlcul és summament complicat i gairebé impossible per als mortals, per la qual cosa és més fàcil deixar-ho a professionals capaços de manejar modernes màquines i programes informàtics molt complexos, encara que a simple vista només vegem un banc de rodets.

Com es desprèn de la seva definició, en un motor de combustió el parell és una variable que depèn de la potència generada a les cambres dels cilindres i del nombre de revolucions a què estigui girant el motor en aquest determinat moment, per la qual cosa se'n podria calcular el valor a partir de la fórmula P = T · ω on P és la potència expressada en wattios o watts, T és el parell de forces expressats en Newton metre i ω és la velocitat de gir radial expressada en radians per segon.

No obstant això, hi ha altres factors que afecten els valors teòrics que es podrien obtenir de l'aplicació directa de la fórmula com ara els fregaments interns del motor. Aquests fregaments interns fan que una part de la potència obtinguda pel motor no sigui aprofitable de forma externa sinó que es “perdi” en el mateix procés de moviment del motor, normalment en forma de calor. Recordar que l'energia ni es crea ni es crea ni es destrueix, només es transforma.

existeixen a més factors externs que poden repercutir en la potència que genera un motor, fins i tot davant de situacions que internament podrien ser comparables. Per exemple, el mateix motor girant a una velocitat constant de 2.000 revolucions per minut generarà més potència quan se circula per una carretera plana que baixant un pendent. Tot i que el nombre de revolucions és constant, i per tant també la velocitat angular del cigonyal, el diferent valor de la potència generada en cada moment es tradueix també en un diferent valor del parell motor aplicat sobre el cigonyal.

Molts us preguntareu com pot ser això ia explicació és molt senzilla. Com tots sabem, el moviment es genera gràcies a la ignició de la barreja estequiomètrica de combustible-aire a les cambres dels cilindres i si es requereix menys potència la solució és injectar una barreja més pobra en combustible i més rica en aire. Aquesta és la raó també per què els ordinadors dels nostres cotxes marquen un consum instantani menor o fins i tot nul quan baixem un port.

Tots aquests paràmetres que modifiquen el funcionament i els resultats teòrics duna mecànica reben el nom de càrrega motor, que es pot definir com la quantitat de parell que ha de produir un motor per vèncer les resistències que s'oposen al seu moviment.

Com hem vist la càrrega motor depèn tant de causes internes del motor, com pot ser el fregament de les diferents parts mòbils, com d'agents externs com pot ser el fregament dels pneumàtics o la pròpia aerodinàmica del cotxe. He posat aquests dos exemples totalment externs al que és la mecànica del vehicle perquè en ambdós casos generen forces contràries i constantment variables al moviment del vehicle, cosa que repercuteix també que el valor de la càrrega motor serà un paràmetre també constantment variable.

La càrrega motor ens afecta també a la conducció d'una manera molt clara que tots els conductors saben apreciar. Si continuem amb el mateix exemple d'un vehicle circulant a una velocitat constant ia un règim de revolucions constant, per què en un tram ascendent al cotxe li costa més guanyar velocitat que en un tram descendent? Doncs per la variació de la càrrega motor.

Entrant novament en un món teòric, quan un cotxe circula a velocitat constant sobre una carretera plana té dues forces externes que s'oposen al moviment: l'aerodinàmica i el fregament. Quan el vehicle comença a circular per un tram ascendent, si mantenim la velocitat constant, podem considerar que la força aerodinàmica contrària al moviment es manté, però el fregament es modifica en el sentit que és una força gravitacional i en el moment que el vehicle comença a pujar, hi haurà una part del fregament que “llenci” del cotxe feia enrere.

Si volem filar ja molt fi, podem posar en joc també l'energia cinètica i l'energia potencial. L'energia cinètica depèn de la massa i la velocitat del vehicle i la potencial de la massa i l'alçada. Segons l'alçada augmenta, pel principi de conservació de l'energia, l'energia cinètica es transformarà en energia potencial.

En aquest cas de carretera ascendent, en sumar el conjunt de forces externes que s'oposen al moviment, podem afirmar que la càrrega motor augmenta i per tant, la quantitat de torque “aprofitable” del motor baixa, podent observar diverses situacions:

• si volem mantenir el gir constant del motor hem d'exigir més potència prement més fort l'accelerador per injectar una barreja més rica en combustible a les cambres dels cilindres.
• Si la inclinació de la via va augmentant pot arribar el moment en què el vehicle comenci a perdre velocitat. Això és degut a que la càrrega motor (forces contràries al moviment) és major al parell capaç de generar-se al motor (forces positives al moviment).

• En mantenir-se constant la potència i el parell, i augmentar la càrrega motor, hi haurà menys potència disponible per augmentar la velocitat del vehicle perquè l'acceleració és proporcional de força aplicada: si hi ha menys potència hi ha menys poder d'acceleració.

El parell motor i la caixa de canvis

No obstant això, la física és també capaç de modificar el comportament dels cossos sotmesos a diferents forces, i en el cas del cigonyal del motor del nostre cotxe es pot afirmar que és capaç de enviar el parell motor que rep dels cilindres a altres parts del vehicle, com ara la caixa de canvis.

El torc arriba del motor al canvi en forma de moviment rotacional a través de l'eix primari. És per això que quan un fabricant parla del catàleg de canvis sempre es parla de limitacions de parell i no de potència. Dins la caixa de canvis té lloc una transformació de parell en força tangencial i novament en parell. Com?

Dins la caixa de canvis hi ha una sèrie de rodes dentades que transmeten el moviment les unes a les altres simplement per l'engranatge de les dents de les unes a les altres. Aquestes corones dentades, que fan referència al nombre de marxes que tingui el canvi, tenen diferent mida o “relació d'engranatge”, per això de vegades es pot llegir que un canvi té x velocitats o x relacions; és el mateix.

En qualsevol cas, aquesta diferent grandària de les corones dentades és la que varia el parell d'entrada i de sortida també pel principi físic de conservació de l'energia: Quan dues rodes giren engranades (teòricament) conserven l'energia, per la qual cosa el producte del parell de gir per la velocitat angular s'ha de mantenir constant.

Explicant el fonament bàsic que repercuteix en el parell, les velocitats més curtes tenen unes rodes dentades més grans que les de les marxes més llargues i la seva lògica física és molt fàcil d'entendre amb un exemple perquè és una cosa que tots els conductors percebem i sabem aprofitar, així que seguim amb el mateix cotxe circulant a 2.000 revolucions per minut, generant una potència i torcament constants.

Article relacionat:

Canvis automàtics: tipus, com funcionen i característiques

Circulant a primera marxa, l'eix primari d'entrada està introduint par motor en el canvi amb una determinada velocitat angular però està engranada a la corona dentada més gran que girarà a una velocitat inferior a la de leix dentrada. Com que la potència es manté constant a l'engranatge, en baixar la velocitat angular de gir augmenta el parell.

Si al contrari circulem a la marxa més alta, amb la corona dentada fins i tot més petita que la de l'eix primari d'entrada, succeirà justament el contrari: la corona de la marxa més alta girarà a més velocitat i per tant baixarà el parell de sortida .

Aquesta variació en el parell davant d'una teòrica constància tant de l'efectivitat del bloc com de la càrrega motor és la responsable del comportament diferent que es pot observar del cotxe a l'hora de guanyar velocitat. Perquè de tots és sabut que circulant a un règim constant de revolucions, és més fàcil augmentar la velocitat de gir del motor en una marxa curta que en una llarga encara que la potència i el torc generat al motor sigui el mateix.

La raó és que en una marxa més llarga arriba menys torcament a les rodes motrius. La raó és que a un mateix règim de revolucions, els pneumàtics giraran més ràpid com més alta sigui la marxa. És per això que de vegades podem pujar una rampa força costeruda en primera marxa a 1.500 revolucions per minut i altres vegades, circulant en 5a o en 6a la més mínima repetjada ens fa reduir una marxa per no perdre velocitat encara que circulem a un règim més gran de revolucions.

Lògicament estem una vegada més en un món teòric perquè, a la pràctica, segons augmenta la velocitat augmenta també la força aerodinàmica que tendeix a frenar el cotxe, augmenten les pèrdues d'energia per exemple per l'escalfament més gran dels pneumàtics… En fi, una sèrie d'agents externs que generen forces contràries al moviment i que simplement val que us sonin una mica per entendre millor el parell motor.

El parell als motors elèctrics

Igual que passa als motors rotatius, els motors elèctrics generen directament moviment rotacional i, per tant, torcament en comptes de potència entesa com a tal. Això és perquè el principi de funcionament d'un motor elèctric es basa en un principi bàsic de magnetisme pel qual càrregues del mateix signe es repel·leixen i càrregues de signe contrari s'atreuen.

La base constructiva dun motor elèctric, explicat a grans trets, per ser un cilindre imantat travessat per un rotor que gira sobre si mateix gràcies als canvis constants de càrrega del cilindre exterior. L'exemple més bàsic seria el de la brúixola: si no es toca assenyala el nord magnètic de la terra, però si apropem un imant i el fem girar amb moviments circulars al voltant de la brúixola, la seva agulla girarà sobre si mateixa a la velocitat amb la que nosaltres estiguem movent l'imant.

Hi ha una diferència bàsica pel que fa a la qualitat del parell obtingut: es GAIREBÉ constante. Mentre que en un motor tèrmic la xifra de parell pot variar segons el nombre de revolucions a què giri el bloc, en un motor elèctric el torc és GAIREBÉ constant. Això és degut al principi de funcionament bàsic d'aquests tipus de motors ia la tecnologia aplicada avui dia.

Com he comentat, el gir del rotor d'un motor elèctric és degut a la contínua polarització de l'estator que es converteix en un petit camp magnètic capaç de fer girar el rotor per l'alternança de forces d'atracció i forces de repulsió i és en aquest punt on els avenços tècnics actuals permeten que les forces gravitacionals generades al rotor tinguin un parell màxim gairebé constant.

Parell motor elèctric vs. parell motor tèrmic

He comentat que el parell és GAIREBÉ constant per un detall molt concret i que explica en certa manera les limitacions dels cotxes elèctrics a autopistes o autovies però també els seus avantatges en trànsit urbà. A diferència d'un motor tèrmic, els motors elèctrics generen parell motor des del principi del gir i el mantenen constant fins a assolir el nivell de potència màxima, moment en què la xifra de parell baixa. Per citar un exemple, el BMW i3 ofereix la potència màxima de 170cv i un parell motor màxim de 250 Nm, però veurem com es reparteix:

• En motor elèctric del BMW i3 ofereix un torcament de 250Nm constants des de gairebé 0 revolucions del motor fins aproximadament uns 4.500 girs del motor per minut.
• En aquest interval de 0 a 4.500 revolucions per minut, la potència augmenta de 0 a 170 cavalls (127kw).
• A partir de 4.500 revolucions per minut, tant el torc com la potència comencen a disminuir.
• A 8.000 revolucions per minut, el motor del BMW i3 ofereix uns 150 cavalls aproximadament i un parell motor de 125Nm.

Quina lectura es pot fer daquestes xifres? Doncs en el cas del motor del BMW i3 es pot dir que equipa un motor molt alegre fins a 4.500 rpm, cosa que fa que aquest cotxe sigui molt ràpid en acceleracions a baixa velocitat. De fet arriba als 100km/h sortint des de parat en tan sols 7'3 segons, cosa que li permet desafiar-se de tu a tu amb el BMW 120i.

No obstant això, a partir de les 4.500 revolucions tant la potència com el parell motor comencen a disminuir i afectar negativament tant la capacitat d'acceleració com el consum, que es pot duplicar respecte a les xifres homologades. És per això també que molts cotxes elèctrics té un mode “ECO” que limita la seva velocitat màxima a 90 o 100 km/h, just quan un cotxe com el BMW 120i podria obtenir, si manté constant la velocitat, uns consums molt baixos.

Per cert, hi ha un altre avantatge molt cridaner i interessant dels cotxes equipats amb motors elèctrics: es mostren menys sensibles a una conducció esportiva o al trànsit urbà i l'increment en el consum d'energia no és tan acusat com seria en un vehicle amb motor tèrmic equivalent. Això és perquè oferir un parell tan elevat i relativament constant es pot dir que el motor té més facilitat per augmentar la velocitat de gir del motor o que demana menor increment de parell per augmentar la seva velocitat de gir.

Parell gasolina vs. per dièsel vs. parell sobrealimentació

En aquest apartat no convé allargar-se gaire perquè les diferències entre el torc obtingut d'un bloc alimentat per gasolina i un altre alimentat per gasoil són degudes a les particulars característiques constructives dels uns i dels altres ia la energia alliberada per la ignició dels seus respectius combustibles.

Si atenem a una lectura clàssica d'aquestes xifres, entenent com a tal una comparació entre blocs atmosfèrics alimentats per injecció o el que seria més o menys un salt als Jahr 80, els blocs alimentats per gasoil oferien més parell ia un règim inferior en comparació dels blocs de gasolina, però davant dels ulls d'avui dia, els seus nivells de potència podien ser fins i tot ridículs.

En aquest sentit, podem recordar el principi de l'article on us expliqui que la potència teòrica del vehicle és proporcional al parell ia la velocitat angular de gir. Un vehicle de benzina atmosfèric té un marge real d'utilització aproximat entre 1.000 i 5.500 revolucions per minut i un dièsel atmosfèric entre 1.000 i 4.000 revolucions per minut. Al món real, el marge pràctic d'utilització oscil·la entre les 2.000 i les 4.000 revolucions per minut per als motors de gasolina i entre els 1.500 i 3.000 girs per a les mecàniques alimentades per gasoil.

Si deixem constant una de les variables, per exemple el gir a 2.000 revolucions per minut, obtindrem una menor potència al motor dièsel però alhora ens oferirà més parell motor. A què és degut això? Doncs és senzill, el parell motor ho origina el moviment lineal dels pistons d'acord amb la ignició del combustible a les cambres dels cilindres i la potència que es genera segons es cremi gasolina o gasoil és diferent. Tot i això, l'explicació mecànica és vàlida per a ambdós casos.

L'electrònica i la sobrealimentació

Avui dia, això que us acabo d'explicar es queda per al record dels més nostàlgics. De fet molts de vosaltres us haureu adonat que de vegades un fabricant ofereix vehicles amb diferents xifres de torque i de potència extrets a partir del mateix bloc motor. O fins i tot un vehicle que tenen un mode “ECO” capaç de modificar aquestes xifres prement simplement un botó com passa per exemple amb el Fiat Panda Cross TwinAir: en mode normal ofereix 90cv i 145Nm i en mode “ECO” es queda a 78cv i 100Nm.

Això és a causa dels avenços tècnics i, sobretot, electrònics aplicats al món de l'automoció. A hores d'ara ja no ens estranya sentir parlar del variador de fase per als vehicles amb culata multivàlvula, de motors dièsel i benzina amb la mateixa relació de compressió o fins i tot motors de compressió variable, però si hi ha alguna cosa que ha representat un pas de gegant pel que fa a les xifres de parell i potència d'un vehicle és la sobrealimentació.

Encara que la seva explicació mecànica pugui arribar a ser molt complicada, fonament bàsic de la sobrealimentació és molt simple: incrementar la pressió dins de les cambres dels cilindres per augmentar la força generada en la ignició del combustible, cosa que fa que els pistons baixin amb més força i, per tant, arribi més torcament al cigonyal.

Com és de suposar, la seva implantació mecànica és una mica més complicada i exigeix ​​de tant estudiar la seva correcta ubicació dins del capó d'un cotxe, d'uns nous col·lectors d'entrada i sortida, de reforços específics als pistons, bieles, cigonyal… però el principi bàsic és incrementar la pressió dins de la càmera dels cilindres i això és el que importa per relacionar-ho amb el torque dun motor.

La sobrealimentació pot estar accionada directament pel gir del motor o per la pressió dels gasos de fuita. Avui dia, l'electrònica ha arribat també a la sobrealimentació i al nou Audi SQ7 TDI ha estrenat el primer turbo elèctric del mercat i els resultats no poden ser més espectaculars: 435cv constants entre 3.750 i 5.000 revolucions per minut i 900 Nm constants entre 1.000 i 3.250 revolucions per minut.

Article relacionat:

El motor turbo, els seus pros i contres

El parell motor ahir i avui

Fins no fa gaires anys, només els més entesos sabien que un cotxe amb els cilindres quadrats (diàmetre = carrera) eren els més equilibrats per conduir, que si la cursa era inferior al diàmetre seria un cotxe potent però amb una xifra de parell modesta i que si la cursa era superior al diàmetre seria just al contrari, més tranquil i amb més torcament.

Avui dia la major part dels motors pertanyen a famílies modulars, el que permet als fabricants oferir blocs de més o menys cilindres i de benzina o dièsel amb relativa facilitat i mínims canvis, les variacions en el parell motor i en la potència vénen donades per l'ús i la combinació de les diferents aplicacions tècniques i electròniques que el fabricant vulgui fer servir.

Tot i això que us he explicat en aquest article, la realitat supera la teoria en tots els aspectes. Al mercat actual podem trobar motors de sis cilindres amb la potència d'un de vuit, motors de tres cilindres tan suaus o més que altres tetracilíndrics de similar capacitat o fins i tot motors dièsel amb la mateixa relació de compressió que uns de gasolina i és que a avui dia tot és possible.

La raó fonamental d'aquest article era explicar de manera entenedora el que és el parell motor o torcament, que sigueu capaços de reconèixer com repercuteix en la conducció diària i que us adoneu que la potència d'un cotxe, si no es relaciona amb el parell motor, no és un valor gaire indicatiu del comportament del mateix. Espero haver-ho aconseguit.