El par motor: qué es y cómo influye en el rendimiento de tu motor

Cuando vemos la publicidad que las distintas marcas hacen de sus coches en los medios de comunicación podemos observar que, a nivel técnico, se suelen mostrar una serie de cifras relativas a la velocidad, al consumo, a la aceleración… en definitiva, unos fríos números que además un alto porcentaje de los conductores no podrán igualar nunca. Sin embargo, hay un dato físico que sí disfrutan todos los conductores, que rara vez se publicita y a la que no hace muchos años sí se le daba una cierta importancia: el par motor.

No hace mucho tiempo, cuando los coches aún no habían sufrido la escalada de potencia actual, se presumía del reprís del coche como la capacidad que tenía para ganar velocidad. Esta afirmación popular, si bien a la hora de interpretar lo que es el reprís es correcta, para entender lo que es el par motor se queda un poco corta o más bien inexacta

¿Qué es el par motor?

El par motor, también conocido como torque, es una magnitud física que mide el momento de fuerza que se ha de aplicar a un eje que gira sobre sí mismo a una determinada velocidad. Aplicado al mundo de la automoción y explicado de una forma que todos podamos entender se puede definir como la fuerza necesaria para que el cigüeñal del motor gire y, por ende, sea capaz de transmitir dicho movimiento al resto de elementos mecánicos necesarios para desplazar al vehículo.

Y aquí es donde observamos la primera diferencia entre la realidad y la costumbre; cuando nos referimos al par motor para expresar la capacidad de aceleración que tiene un vehículo realmente no estamos definiendo lo que es en sí el par motor, tan sólo estamos describiendo una de sus aplicaciones. Esto es así porque el par de un motor mide la potencia necesaria para que el motor gire a un número determinado de vueltas pero no tiene en cuenta la potencia suplementaria que se ha de aplicar para modificar la velocidad angular del eje o cigüeñal.

Un poco de física para explicar el par motor

Para explicaros lo que es el par motor huyendo de principios físicos os explicaré la función del cigüeñal y de las fuerzas que sobre él actúan.

Un motor térmico genera energía en los cilindros. En concreto, es en las cámaras de combustión donde se produce la explosión de la mezcla del combustible-aire. Es la energía liberada por esta explosión la que genera un movimiento lineal al empujar el pistón en sentido contrario al de la culata del motor. Los pistones de los distintos cilindros van unidos al cigüeñal por las bielas y es justo en la unión de éstas con el cigüeñal donde se transforma el movimiento lineal en movimiento rotacional.

Cabe nombrar en este punto la excepcional construcción de los motores rotativos, en los que las cámaras circulares de los “cilindros” rodean directamente a un eje central que gira sobre sí mismo movido por las explosiones producidas en las cámaras, por lo que en este caso se genera directamente el movimiento rotacional. En cualquier caso, los principios físicos que actúan en lo que se refiere al par motor son los mismos.

Incluso sin entrar en un estudio excesivamente, para simplificar la idea de transformación de energía, se podría afirmar que los bloques rotativos generan par motor en vez de potencia. No se puede hacer una verdad de fe en este sentido porque ni las cámaras ni el rotor de los motores rotativos son exactamente circulares y la ignición del combustible se produce en una porción de la cámara, a diferencia de los motores con cilindros convencionales en los que la mezcla combustible-aire ocupa todo su volumen.

Volviendo a la explicación física, la fuerza que hace el pistón sobre el cigüeñal no es constante durante todo el proceso de expansión. Esto es debido a que dentro de cada cilindro el valor máximo de potencia se genera en el momento de la ignición del combustible. Y estos momentos de máxima potencia llevan aparejados también momentos de máximo par.

El retraso entre el momento en el que se genera la máxima potencia en el cilindro y aplica el máximo sobre el árbol cigüeñal no es un fácilmente calculable. Esto es debido a que los pistones no hacen un movimiento puramente lineal sino que, debido a que el árbol cigüeñal tampoco es totalmente recto, realizan un movimiento que junta el efecto lineal del pistón con el circular de los rodamientos de la biela.

Sin embargo, estos momentos de máxima potencia y máximo par tienen una gran importancia en lo que se refiere a la percepción de la suavidad en el funcionamiento del motor.

Cuantos más cilindros tenga el vehículo más veces por minuto existirá ese momento de máxima fuerza y más homogénea será la percepción del conductor sobre el funcionamiento suave del motor.

Esto es debido a que en un motor de 2 cilindros, habrá un sólo momento de máxima fuerza cada 360º de giro del cigüeñal, en un motor de tres cilindros sucederá cada 240º, en uno de seis cada 120º y así sucesivamente. Claro que esto debe ser interpretado como teoría pura ya que a día de hoy los fabricantes se esfuerzan en que sus motores sean lo más suave posibles en lo que se refiere a su funcionamiento.

Este factor también influye en el hecho de que al ralentí un motor genere más vibraciones y que además sean más perceptibles: a 1.000 revoluciones por minutos hay la mitad de momentos de máxima fuerza que a 2.000 revoluciones. Por ejemplo, partiendo de un régimen de ralentí medio de 850 revoluciones por minuto, un motor tricilíndrico generará menos de diez momentos de fuerza al segundo, mientras que un bloque de seis cilindros generará casi veinte.

Si tenemos en cuenta que el humano “normal”, ante una fuerza intermitente de aplicación continua, reconoce mejor los intervalos mayores a una décima de segundo que los inferiores, he aquí la explicación banal por la que el gran público reconoce las vibraciones de los motores de dos o tres cilindros: porque el intervalo entre los momentos de máxima fuera es superior a una décima de segundo.

¿Qué par entrega tu motor?

En muchas publicaciones sobre el mundo del motor se suele medir el par que “entrega” el motor de un vehículo. Está afirmación, por definición, no es correcta en tanto entendemos que el par es una fuerza aplicada y no una fuerza resultante. Sin embargo, también por el principio físico de acción-reacción, cuando sobre un eje que gira sobre sobre sí mismo se aplica un momento de fuerza, automáticamente se genera otro momento de fuerza de la misma intensidad y dirección pero de sentido contrario al original (tercera ley de Newton).

Cómo calcular el par motor – Carga motor

El par motor se puede medir pero su cálculo es sumamente complicado y casi imposible para los mortales por lo que es más fácil dejarlo a profesionales capaces de manejar modernas máquinas y programas informáticos muy complejos, aunque a simple vista sólo veamos un banco de rodillos.

Como se desprende de su definición, en un motor de combustión el par es una variable que depende de la potencia generada en las cámaras de los cilindros y del número de revoluciones al que esté girando el motor en ese determinado momento por lo que se podría calcular su valor a partir de la formula P = T · ω donde P es la potencia expresada en wattios o vatios, T es el par de fuerzas expresados en Newton metro y ω es la velocidad de giro radial expresada en radianes por segundo.

Sin embargo hay otros factores que afectan a los valores teóricos que se podrían obtener de la aplicación directa de la fórmula como por ejemplo los rozamientos internos del motor. Estos rozamientos internos hacen que una parte de la potencia obtenida por el motor no sea aprovechable de forma externa sino que se “pierda” en el mismo proceso de movimiento del motor, normalmente en forma de calor. Recordar que la energía ni se crea ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Existen además factores externos que pueden repercutir en la potencia que genera un motor, incluso ante situaciones que internamente podrían ser comparables. Por ejemplo, el mismo motor girando a una velocidad constante de 2.000 revoluciones por minuto, generará más potencia cuando se circula por una carretera plana que bajando una pendiente. A pesar de que el número de revoluciones es constante, y por tanto también la velocidad angular del cigüeñal, el distinto valor de la potencia generada en cada momento se traduce también en un distinto valor del par motor aplicado sobre el cigüeñal.

Muchos os preguntaréis cómo puede ser esto y a explicación es muy sencilla. Como todos sabemos, el movimiento se genera gracias a la ignición de la mezcla estequiométrica de combustible-aire en las cámaras de los cilindros y si se requiere menos potencia la solución es inyectar una mezcla más pobre en combustible y más rica en aire. Esta es la razón también por la que los ordenadores de nuestros coches marcan un consumo instantáneo menor o incluso nulo cuando bajamos un puerto.

Todos estos parámetros que modifican el funcionamiento y los resultados teóricos de una mecánica reciben el nombre de carga motor, que puede definirse como la cantidad de par que debe producir un motor para vencer las resistencias que se oponen a su movimiento.

Como hemos visto la carga motor depende tanto de causas internas del motor, como puede ser el rozamiento de sus distintas partes móviles, como de agentes externos como puede ser el rozamiento de los neumáticos o la propia aerodinámica del coche. He puesto estos dos ejemplos totalmente externos a lo que es la mecánica del vehículo porque en ambos casos generan fuerzas contrarias y constantemente variables al movimiento del vehículo, lo que repercute también en que el valor de la carga motor será un parámetro también constantemente variable.

La carga motor nos afecta también en la conducción de una manera muy clara que todos los conductores saben apreciar. Si continuamos con el mismo ejemplo de un vehículo circulando a una velocidad constante y a un régimen de revoluciones también constante, ¿por qué en un tramo ascendente al coche le cuesta más ganar velocidad que en un tramo descendente? Pues por la variación de la carga motor.

Entrando nuevamente en un mundo teórico, cuando un coche circula a velocidad constante sobre una carretera plana tiene dos fuerzas externas que se oponen a su movimiento: la aerodinámica y el rozamiento. Cuando el vehículo comienza a circular por un tramo ascendente, si mantenemos la velocidad constante, podemos considerar que la fuerza aerodinámica contraria al movimiento se mantiene, pero el rozamiento se modifica en el sentido de que es una fuerza gravitacional y en el momento que el vehículo comienza a ascender, habrá una parte del rozamiento que “tire” del coche hacía atrás.

Si queremos hilar ya muy fino, podemos meter en juego también la energía cinética y la energía potencial. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del vehículo y la potencial de la masa y la altura. Según aumenta la altura, por el principio de conservación de la energía, la energía cinética se transformará en energía potencial.

En este caso de carretera ascendente, al sumar el conjunto de fuerzas externas que se oponen al movimiento, podemos afirmar que la carga motor aumenta y por tanto, la cantidad de torque “aprovechable” del motor desciende, pudiendo observarse varias situaciones:

• Si queremos mantener el giro constante del motor debemos exigir más potencia apretando más fuerte el acelerador para inyectar una mezcla más rica en combustible en las cámaras de los cilindros.
• Si la inclinación de la vía va aumentando puede llegar el momento en el que el vehículo comience a perder velocidad. Esto es debido a que la carga motor (fuerzas contrarias al movimiento) es mayor al par capaz de generarse en el motor (fuerzas positivas al movimiento).

• Al mantenerse constante la potencia y el par, y aumentar la carga motor, habrá menos potencia disponible para aumentar la velocidad del vehículo porque la aceleración es proporcional a la fuerza aplicada: si hay menos potencia hay menos poder de aceleración.

El par motor y la caja de cambios

Sin embargo, la física es también capaz de modificar el comportamiento de los cuerpos sometidos a distintas fuerzas, y en el caso del cigüeñal del motor de nuestro coche se puede afirmar que es capaz de enviar el par motor que recibe de los cilindros a otras partes del vehículo, como puede ser la caja de cambios.

El torque llega del motor al cambio en forma de movimiento rotacional a través del eje primario. Es por esto que cuando un fabricante habla de su catálogo de cambios siempre se habla de limitaciones de par y no de potencia. Dentro de la caja de cambios tiene lugar una transformación de par en fuerza tangencial y nuevamente en par. ¿Cómo?

Dentro de la caja de cambios hay una serie de ruedas dentadas que transmiten el movimiento unas a otras simplemente por el engranaje de los dientes de unas en otras. Estas coronas dentadas, que hacen referencia al número de marchas que tenga el cambio, tienen distinto tamaño o “relación de engranaje”, por eso a veces se puede leer que un cambio tiene x velocidades o x relaciones; es lo mismo.

En cualquier caso, este distinto tamaño de las coronas dentadas es la que varía el par de entrada y de salida también por el principio físico de conservación de la energía: Cuando dos ruedas giran engranadas (teóricamente) conservan la energía, por lo que el producto del par de giro por la velocidad angular debe mantenerse constante.

Explicando el fundamento básico que repercute en el par, las velocidades más cortas tienen unas ruedas dentadas de mayor tamaño que las de las marchas más largas y su lógica física es muy fácil de entender con un ejemplo porque es algo que todos los conductores percibimos y sabemos aprovechar, así que seguimos con el mismo coche circulando a 2.000 revoluciones por minuto, generando una potencia y torque constantes.

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Circulando en primera marcha, el eje primario de entrada está introduciendo par motor en el cambio con una determinada velocidad angular pero está engranada a la corona dentada de mayor tamaño que girará a una velocidad inferior a la del eje de entrada. Como la potencia se mantiene constante en el engranaje, al descender la velocidad angular de giro aumenta el par.

Si por el contrario circulamos en la marcha más alta, con la corona dentada incluso más pequeña que la del eje primario de entrada, sucederá justo lo contrario: la corona de la marcha más alta girará a más velocidad y por tanto descenderá el par de salida.

Esta variación en el par ante una teórica constancia tanto de la efectividad del bloque como de la carga motor es la responsable del distinto comportamiento que se puede observar del coche a la hora de ganar velocidad. Porque de todos es sabido que circulando a un régimen constante de revoluciones, es más fácil aumentar la velocidad de giro del motor en una marcha corta que en una larga aunque la potencia y el torque generado en el motor sea el mismo.

La razón es que en una marcha más larga llega menos torque a las ruedas motrices. La razón es que a un mismo régimen de revoluciones, los neumáticos girarán más rápido cuanto más alta sea la marcha. Es por eso que a veces podemos subir una rampa bastante empinada en primera marcha a 1.500 revoluciones por minuto y otras veces, circulando en 5ª o en 6ª el más mínimo repecho nos hace reducir una marcha para no perder velocidad aunque circulemos a un régimen mayor de revoluciones.

Lógicamente estamos una vez más en un mundo teórico porque, en la práctica, según aumenta la velocidad aumenta también la fuerza aerodinámica que tiende a frenar el coche, aumentan las pérdidas de energía por ejemplo por el mayor calentamiento de los neumáticos… En fin, una serie de agentes externos que generan fuerzas contrarias al movimiento y que simplemente vale que os suenen un poco para entender mejor el par motor.

El par en los motores eléctricos

Al igual que sucede en los motores rotativos, los motores eléctricos generan directamente movimiento rotacional y, por tanto, torque en vez de potencia entendida como tal. Esto se debe a que el principio de funcionamiento de un motor eléctrico se basa en un principio básico de magnetismo por el que cargas de igual signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen.

La base constructiva de un motor eléctrico, explicado a grandes rasgos, para por ser un cilindro imantado atravesado por un rotor que gira sobre sí mismo gracias a los cambios constantes de carga del cilindro exterior. El ejemplo más básico sería el de la brújula: si no se toca señala al norte magnético de la tierra, pero si acercamos un imán y lo hacemos girar con movimientos circulares alrededor de la brújula, su aguja girará sobre sí misma a la velocidad con la que nosotros estemos moviendo el imán.

Existe una diferencia básica en lo que se refiere a la calidad del par obtenido: es casi constante. Mientras que en un motor térmico la cifra de par puede variar según el número de revoluciones a las que gire el bloque, en un motor eléctrico el torque es casi constante. Esto es debido al principio de funcionamiento básico de estos tipos de motores y a la tecnología aplicada hoy en día.

Como he comentado, el giro del rotor de un motor eléctrico se debe a la continua polarización del estator que se convierte en un pequeño campo magnético capaz de hacer girar el rotor por la alternancia de fueras de atracción y fuerzas de repulsión y es en este punto donde los avances técnicos actuales permiten que las fuerzas gravitacionales generadas en el rotor tengan un par máximo casi constante.

Par motor eléctrico vs. par motor térmico

He comentado que el par es casi constante por un detalle muy concreto y que explica en cierta manera las limitaciones de los coches eléctricos en autopistas o autovías pero también sus ventajas en tráfico urbano. A diferencia de un motor térmico, los motores eléctricos generan par motor desde el principio del giro y lo mantienen constante hasta alcanzar el nivel de potencia máxima, momento en el que la cifra de par desciende. Por citar un ejemplo, el BMW i3 ofrece la potencia máxima de 170cv y un par motor máximo de 250Nm, pero vamos a ver cómo se reparte:

• En motor eléctrico del BMW i3 ofrece un torque de 250Nm constantes desde casi 0 revoluciones del motor hasta aproximadamente unos 4.500 giros del motor por minuto.
• En este intervalo de 0 a 4.500 revoluciones por minuto la potencia aumenta de 0 a 170 caballos (127kw).
• A partir de 4.500 revoluciones por minuto tanto el torque como la potencia comienzan a disminuir.
• A 8.000 revoluciones por minuto el motor del BMW i3 ofrece unos 150 caballos aproximadamente y un par motor de 125Nm.

¿Qué lectura se puede hacer de estas cifras? Pues en el caso del motor del BMW i3 se puede decir que equipa un motor muy alegre hasta 4.500 rpm, lo que hace que este coche sea muy rápido en aceleraciones a baja velocidad. De hecho alcanza los 100km/h saliendo desde parado en tan sólo 7’3 segundos, lo que le permite retarse de tú a tú con el BMW 120i.

Sin embargo, a partir de las 4.500 revoluciones tanto la potencia como el par motor comienzan a disminuir y afectar negativamente tanto a la capacidad de aceleración como al consumo, que podrá duplicarse respecto a las cifras homologadas. Es por esto también que muchos coches eléctricos tiene un modo “ECO” que limita su velocidad máxima a 90 o 100 km/h, justo cuando un coche como el BMW 120i podría obtener, de mantener constante la velocidad, unos consumos muy bajos.

Por cierto, hay otra ventaja muy llamativa e interesante de los coches equipados con motores eléctricos: se muestran menos sensibles a una conducción deportiva o al tráfico urbano y el incremento en el consumo de energía no es tan acusado como lo sería en un vehículo con motor térmico equivalente. Eso es porque el ofrecer un par tan elevado y relativamente constante se puede decir que el motor tiene más facilidad para aumentar la velocidad de giro del motor o que demanda menor incremento de par para aumentar su velocidad de giro.

Par gasolina vs. par diésel vs. par sobrealimentación

En este apartado no conviene alargarse mucho porque las diferencias entre el torque obtenido de un bloque alimentado por gasolina y otro alimentado por gasóleo son debidas a las particulares características constructivas de unos y otros y a la energía liberada en por la ignición de sus respectivos combustibles.

Si atendemos a una lectura clásica de estas cifras, entendiendo como tal una comparación entre bloques atmosféricos alimentados por inyección o lo que vendría a ser más o menos un salto a los años 80, los bloques alimentados por gasóleo ofrecían más par y a un régimen inferior en comparación con los bloques de gasolina, pero ante los ojos de hoy en día, sus niveles de potencia podían ser incluso ridículos.

A este respecto podemos recordar el principio del artículo donde os explique que la potencia teórica del vehículo es proporcional al par y a la velocidad angular de giro. Un vehículo de gasolina atmosférico tiene un margen real de utilización aproximado entre 1.000 y 5.500 revoluciones por minuto y un diésel atmosférico de entre 1.000 y 4.000 revoluciones por minuto. En el mundo real, el margen práctico de utilización oscila entre las 2.000 y las 4.000 revoluciones por minuto para los motores de gasolina y entre los 1.500 y 3.000 giros para las mecánicas alimentadas por gasóleo.

Si dejamos constante una de las variables, por ejemplo el giro a 2.000 revoluciones por minuto, obtendremos una menor potencia en el motor diésel pero a su vez nos ofrecerá más par motor. ¿A qué se debe esto? Pues es sencillo, el par motor lo origina el movimiento lineal de los pistones de acuerdo con la ignición del combustible en las cámaras de los cilindros y la potencia que se genera según se queme gasolina o gasóleo es distinta. Sin embargo, la explicación mecánica es válida para ambos casos.

La electrónica y la sobrealimentación

A día de hoy, esto que os acabo de explicar se queda para el recuerdo de los más nostálgicos. De hecho muchos de vosotros os habréis dado cuenta de que en ocasiones un fabricante ofrece vehículos con distintas cifras de torque y de potencia extraídos a partir del mismo bloque motor. O incluso un vehículo que tienen un modo “ECO” capaz de modificar esas cifras pulsando simplemente un botón como sucede por ejemplo con el Fiat Panda Cross TwinAir: en modo normal ofrece 90cv y 145Nm y en modo “ECO” se queda en 78cv y 100Nm.

Esto es debido a los avances técnicos y sobre todo electrónicos aplicados al mundo de la automoción. A día de hoy ya no nos extraña oír hablar del variador de fase para los vehículos con culata multiválvula, de motores diésel y gasolina con la misma relación de compresión o incluso motores de compresión variable, pero si hay algo que ha representado un paso de gigante en lo que se refiere a las cifras de par y potencia de un vehículo es la sobrealimentación.

Aunque su explicación mecánica pueda llegar a ser muy complicada, el fundamento básico de la sobrealimentanción es muy simple: incrementar la presión dentro de las cámaras de los cilindros para aumentar la fuerza generada en la ignición del combustible, lo que hace que los pistones desciendan con más fuerza y, por tanto, llegue más torque al cigüeñal.

Como es de suponer, su implantación mecánica es algo más complicada y exige de tanto de estudiar su correcta ubicación dentro del capó de un coche, de unos nuevos colectores de entrada y salida, de refuerzos específicos en los pistones, bielas, cigüeñal… pero el principio básico es incrementar la presión dentro de la cámara de los cilindros y esto es lo que importa para relacionarlo con el torque de un motor.

La sobrealimentación puede estar accionada directamente por el giro del motor o por la presión de los gases de escape. Hoy en día, la electrónica ha llegado también a la sobrealimentación y el nuevo Audi SQ7 TDI ha estrenado el primer turbo eléctrico del mercado y los resultados no pueden ser más espectaculares: 435cv constantes entre 3.750 y 5.000 revoluciones por minuto y 900Nm constantes entre 1.000 y 3.250 revoluciones por minuto.

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El par motor ayer y hoy

Hasta no hace muchos años, sólo los más entendidos sabían que un coche con los cilindros cuadrados (diámetro = carrera) eran los más equilibrados para conducir, que si la carrera era inferior al diámetro sería un coche potente pero con una cifra de par modesta y que si la carrera era superior al diámetro sería justo lo contrario, más tranquilo y con más torque.

Hoy en día la mayor parte de los motores pertenecen a familias modulares, lo que permite a los fabricantes ofrecer bloques de más o menos cilindros y de gasolina o diésel con relativa facilidad y mínimos cambios, las variaciones en el par motor y en la potencia vienen dadas por el uso y combinación de las diferentes aplicaciones técnicas y electrónicas que el fabricante quiera usar.

A pesar de todo esto que os he explicado en este artículo, la realidad supera a la teoría en todos los aspectos. En el mercado actual podemos encontrar motores de seis cilindros con la potencia de uno de ocho, motores de tres cilindros tan suaves o más que otros tetracilíndricos de similar capacidad o incluso motores diésel con la misma relación de compresión que unos de gasolina y es que a día de hoy todo es posible.

La razón fundamental de este artículo era explicar de forma entendible lo que es el par motor o torque, que seáis capaces de reconocer cómo repercute en la conducción diaria y que os deis cuenta de que la potencia de un coche, si no se relaciona con el par motor, no es un valor muy indicativo del comportamiento del mismo. Espero haberlo conseguido.