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Para que se desplace el automóvil, el motor debe aportar la fuerza y energía, y lo hace mediante el giro del cigüeñal como ya se ha visto.
La fuerza de la explosión/combustión sobre el pistón ejerce un empuje en la biela que se transmite hasta el codo del cigüeñal, haciéndole girar con el punto de apoyo en el bloque como centro.
El hecho de que una fuerza aplicada en un punto implique como resultado un giro es lo que se denomina par, diferenciándolo del trabajo que se obtiene cuando se aplica una fuerza en línea sobre un objeto para que se desplace en ese eje, es como arrastrar un carro mediante tiro animal.
Del valor del par motor depende su respuesta al acelerar, pero a su vez el par es función del llenado, que es variable lo que implica que el par también lo sea.
La potencia se relaciona con la velocidad y depende del par y RPM del motor.
El objetivo es lograr más par motor desde bajas RPM, y que se mantenga en el margen más amplio posible, la potencia al ser función del par y RPM también mejora.
El par y potencia
Al aplicar una fuerza sobre un objeto, el trabajo resultante hace que se desplace el objeto en la dirección de la fuerza.
Cuando el resultado del trabajo es un giro se denomina par, como girar el volante, aflojar una tuerca o el funcionamiento del motor.
Se denomina par porque se obtiene el mismo resultado aplicando una fuerza que dos con la mitad del valor opuestas (par).
También se identifica como momento de giro pues el resultado es función del punto e instante de aplicación de la/s fuerza/s.
El par motor es el resultado de la energía de la explosión o combustión aplicada sobre el giro del cigüeñal para mover el automóvil, la potencia es el número de veces que se aplica el par sobre el cigüeñal al girar el motor, se explica con la imagen 8.1.
El par motor “fuerza”
Se denomina par cuando el resultado de realizar un trabajo produce un giro; T (trabajo) = F (fuerza) x D (distancia.
Es lo que sucede en el motor, imagen 8.1.
- La fuerza de la explosión Fe empuja al pistón hacia abajo.
- El pistón transmite esta fuerza por la biela Fpb al cigüeñal.
- El cigüeñal recibe la fuerza Fpb en el apoyo de la biela. que está a cierta distancia D del eje de giro del cigüeñal, y es la fuerza motriz Fm.
- La distancia D en el cigüeñal es la mitad de carrera del pistón en el cilindro C.
- El resultado es un giro del cigüeñal con estos valores; Par = Fm x D
Se mide el par en kilos por metro (Kgm) o newton por metro (Nm).
El par suele estar entre la zona baja o media de RPM es la “fuerza” del motor y determina la respuesta al acelerar desde bajas RPM.
La potencia “velocidad”
La potencia es la velocidad con que se transmite el par motor, es decir depende del valor del par motor y las RPM de funcionamiento, esta es la fórmula; Potencia = Par x RPM
A esta fórmula habrá que añadir unas constantes para obtener el resultado en caballos de vapor CV o kilovatios Kw, que son las unidades habituales de indicar la potencia.
La potencia, al depender de las RPM, está en la zona alta de RPM y aporta las prestaciones del automóvil relacionadas con la “velocidad”.
En la imagen se resalta la resonancia Rs, son los flujos de vaivén de los gases por su vertiginosa velocidad en los colectores de admisión y escape al cerrar y abrir las válvulas, se explica seguidamente su relación con el par y la potencia.
Llenado variable del motor; la resonancia
Imagen 8.2
El llenado de los cilindros determina la energía de la explosión.
El llenado es variable y depende entre otros factores de estos:
- Velocidad de los gases de admisión y escape.
- Formas, curvas y tamaño de los colectores.
- Filtro de aire, pues supone un obstáculo al paso del flujo de aire de admisión.
- En el escape los silenciadores son un freno para la salida de los gases quemados, también los sistemas anticontaminantes de limpieza de gases.
- Al funcionar el motor los gases de admisión y escape se desplazan a vertiginosas velocidades y se producen efectos de rebote en los colectores al cerrar las válvulas.
- El resultado implica fuertes movimientos de vaivén en los gases, que son elásticos y generan grandes inercias, es la resonancia Rs, antes comentada.
- Por esta razón el llenado del motor no es constante y depende de los efectos de la resonancia.
- Si se aprovecha la resonancia, sumamente rápidos cambios de sentido de circulación de los gases que potencian el llenado y vaciado de los cilindros, se pueden seleccionar las RPM a que un motor obtiene los valores de par y potencia máximos.
- Se hace por diseño del motor coordinando la apertura y cierre de las válvulas por la posición del/los árbol/es de levas y cigüeñal.
- A las RPM seleccionadas de par máximo se obtiene la mejor respuesta al acelerador, pero por debajo y por encima de esas RPM el par va disminuyendo.
Curvas de par y potencia
En un automóvil de turismo se busca que el par máximo esté en el entorno de RPM más utilizado, que es la zona media de RPM.
En la imagen 8.3 izquierda se representan las curvas de par y potencia de un automóvil de turismo, que se miden con máxima aceleración.
La potencia sigue aumentando a partir de las RPM de par máximo al depender, además del par de las RPM, Potencia = Par x RPM.
Se llega a la potencia máxima cuando para un pequeño aumento de RPM cae bruscamente el par, se aprecia en la imagen 8.3 izquierda.
Como se ha comentado las RPM de par y potencia se determinan por el diseño del motor según el tipo de automóvil y utilización prevista, se ven después algunos ejemplos.
Curvas de par intermedias
En la imagen 8.3 derecha se ve la curva de par con aceleración máxima y también otras curvas de par por debajo de la del par máximo, corresponden a posiciones intermedias del acelerador, son las curvas de par intermedias, que tienen las correspondientes de potencia que no se han representado.
Se denomina “tiempo de respuesta” lo que tarda el motor en pasar al acelerar a fondo desde la curva intermedia en que este funcionando hasta la máxima, cuanto menor sea el tiempo de respuesta mejor comportamiento del motor.
Par y potencia según el tipo del automóvil
El par y la potencia del motor se pueden obtener por diseño a las RPM que se consideren más adecuadas para el uso previsto.
Hay tres tipos genéricos de automóviles con necesidades y objetivos distintos para las que las curvas de par y potencia han de tener características específicas, se ven en la imagen 8.4.
Todoterreno
- Se ha de tener buena respuesta desde bajas RPM para poder superar pendientes y transportar carga.
- El par máximo se sitúa a bajas RPM, lo que implica menor potencia que no se va a necesitar en uso todoterreno.
- Este motor responde bien a bajas y medias RPM, pero no sube mucho de RPM.
- Se prima el par motor sobre la potencia.
Turismo
- Se busca el mejor equilibrio entre par y potencia.
- El valor máximo de par está a medias RPM y la potencia resultante tendrá también un valor medio, suficiente para el tipo de automóvil.
Deportivo
- El objetivo son las prestaciones, por lo que el par está a más RPM y también la potencia, que será elevada.
- La respuesta del motor a bajas RPM es escasa.
- Se favorece la potencia sobre el par motor.
Los automóviles que se ven en las imágenes tienen tecnologías de motor clásicas, par y potencia a RPM determinadas.
Actualmente se utilizan otras tecnologías para poder mantener buen llenado y par en un amplio margen de RPM.
Estas tecnologías se explican en otros capítulos y se presentan a continuación.
Curva de par motor “plana”
Imagen 8.5
El objetivo para lograr la respuesta del motor en un amplio margen de RPM es que se mantengan buenos valores de par antes y después de su valor máximo, es decir que la forma de la curva de par sea lo más “plana” posible.
Con las tecnologías de distribución y admisión variables se puede lograr que la curva de par sea más plana, con un amplio margen de respuesta del motor y similares efectos en la potencia como se ve en las curvas de la imagen 8.5.
La sobrealimentación supone un gran incremento de par y potencia.
Distribución variable
- Adapta las secuencias de actuación de las válvulas a la resonancia manteniendo el mejor llenado un amplio margen de RPM.
- Se basa en poder modificar en marcha las posiciones relativas entre el cigüeñal y el/los árbol/es de levas, de forma que la resonancia ayude a llenar el motor en admisión y vaciarle en escape.
Admisión variable
- Dispone de varios recorridos el colector de admisión, en distancia y sección, para adaptar la velocidad de paso de gases a las RPM y lograr la resonancia ideal en un amplio abanico de RPM.
- Puede combinarse con la distribución variable.
Sobrealimentación
- Consiste en introducir en los cilindros aire a presión en la fase de admisión sobre llenando los cilindros.
- Se incrementa apreciablemente el par y potencia.
- Se puede utilizar conjuntamente con la distribución y admisión variables.
En los capítulos “14. Motor multiválvulas. Llenado variable” y “15. Sobrealimentación” se explican estas tecnologías.
