MeM 017: Diseño del Motor – Curvas de Par y Potencia

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La gran mayoría de las personas conocen las diferencias entre un motor a gasolina y uno diesel.

 

Sin lugar a duda los aspectos en donde más se diferencian el uno del otro son el ruido, las vibraciones, el consumo específico, el rango de velocidades en el cual funcionan y sus performances en general. Estas características son tenidas en cuenta durante su diseño.

Lo interesante es analizar las curvas de par y potencia, para así determinar cuáles pueden ser las aplicaciones de un motor.

El par motor o torque es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia. Este concepto es muy importante ya que nos va a permitir analizar las capacidades que un motor tendrá para ser utilizado en un vehículo de determinadas características y usos.

Si consideramos un motor relativamente antiguo, donde la electrónica aún no estaba presente veremos que las curvas características son de la siguiente manera.

Porsche 911, Motor 2.0 l de cilindrada

Potencia porche911

Par Nm porsche 911

Lo importante en un motor deportivo es que la curva de PAR sea lo más plana posible, es decir que permanezca constante en función de las rpm.

Si esta caracterísitca se logra, significa que en todo momento, el motor será capaz de producir el máximo par motor posible. Esto dará como resultado, la máxima aceleración del vehículo.

Sin embargo, debido a resistencias internas del aire al ingresar al motor, al llenado deficiente de los cilindros y a un sistema de inyección e ignición poco eficiente a altas rpm hacen que la curva de par no sea ideal.

En la práctica los motores sin sistemas electrónicos presentan una curva de par como la observada en el Porsche, con un punto maximo bien marcado a mediano regimen motor (4500 rpm) como se observa en la figura 1 (Porsche 911, 2.0l de cilindrada).

Porsche 911 S, Motor 2.0 l de cilindrada

Par Nm Porsche 911S

Potencia HP Porsche 911S

Si observamos la diferencia entre estos dos Porsches, veremos que en el caso del 911S, la curva de par es mas plana. Eso permite tener un mayor par disponible para acelerar. Las pruebas en pista mostraron una mejora en la aceleración. Para cubrir los primeros 400m (comenzando la prueba con el coche detenido) el Porsche 911 S necesitó de 15.9s mientras que el Porsche 911 necesito 16.8s. Para recorrer los primeros 1000m se necesitaron 29.2s y 30.4s respectivamente.

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En Motores Deportivos

Esta característica de curva de par motor plana es la que se busca en los motores deportivos. Como observamos en este ejemplo, la diferencia de poco más de un segundo para recorrer 1000m haría que una carrera se definiera con total facilidad.

 

Motores de Vehículos Pesados

Si en cambio observamos el par motor de un vehículo pesado, de transporte de carga o incluso el de un vehiculo 4×4 observaremos que la características que se necesitan son otras.

Unimog motor Par

En la  imagen de arriba observamos la curva de par (Nm) de un motor Mercedes Benz OM904 LA, que se utiliza en el Unimog. Este vehículo pesado, transportador de carga y capaz de atravesar diferentes obstáculos necesita una curva de par motor que sea “estable”.

 

¿Qué significa que un motor sea estable?

Supongamos que el vehículo circula sobre asfalto a velocidad constante con un régimen motor de 2200rpm. De repente deja la carretera para comenzar a circular sobre arena que ofrece más resistencia a la rodadura.

En ese momento, el motor comenzará a disminuir sus rpm debido a que el avance sobre ese terreno ofrece mayor resistencia y eso requiere mayor par motor. A medida que las rpm caen, el par motor aumentará, de forma tal que el motor no se detendra subitamente. Incluso es posible imaginar que no hará falta cambiar a una marcha inferior ya que en algún momento el motor tendrá el par necesario para mantener las rpm constantes.

En este tipo de motor, se busca que el par máximo esté a bajas vueltas, de forma tal que cualquier disminución de rpm implique un aumento del par motor.

Tener un motor con una curva de par plana produciría una caída brusca de rpm con el riesgo de que el motor se detenga rápidamente. La única solución a este problema sería cambiar de marchas rápidamente una y otra vez.

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Elasticidad: un concepto para ingenieros motoristas

Otro concepto que se utiliza mucho en los motores es el de elasticidad. Este concepto es muy discutible ya que tiene dos interpretaciones diferentes.

La primera, considerada por la mayoría, define a la elasticidad como la diferencia en rpm entre el par máximo y la potencia máxima.

Como la potencia siempre se da a altas rpm, significa que un motor muy elástico tendrá el maximo par a bajas vueltas, transformando el motor en muy estable.

Por el contrario, si su par máximo está también a medianas/altas vueltas, entonces será poco elástico y cualquier variación brusca en la resistencia que presentara el vehículo se verá traducido en una caída súbita de las rpm.

Algunas revistas especializadas miden la elasticidad haciendo aceleraciones en determinadas marchas. Por ejemplo, el tiempo requerido para llegar de 80km/h  a 120km/h en 4ra, 5ta y 6ta marcha. Esto pone en evidencia el par de reserva disponible para hacer una acelerada.

Es importante entender que lo que definen como elasticidad en esos reportes no es tal.

La segunda, considerada por otros especialistas del tema, definen la elasticidad de un motor como la diferencia en Nm entre el par maximo del mismo y el par a rpm máximas.

Ambas ideas tienen sentido y si bien hablan de cosas diferentes sus conceptos son muy útiles.

Un buen ingeniero deberá tener en claro qué tipo de curva par deberá tener el motor para realizar distintos tipos de tareas o prestaciones.

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