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Calculadores energéticos y artículos sobre el uso de la energía, su eficiencia e impacto sobre el medio ambente. Aplicaciones prácticas Biblioteca - ISSN 2326-6880 |
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Conocimientos básicos. Reglas que impone la naturaleza. Primera y Segunda Ley de la Termidinámica. Trabajo ideal en un MCI. El Ciclo Carnot. Principales fuentes de pédidas de un MCI MCI de Diesel. Rendimientos MCI de Gasolina. Rendimientos Gasto energético de un vehículo por un desplazamiento determinado La cadena energética La energía necesaria para superar un desnivel (pendiente) Determinando la altura (en metros, o en pie) y la longitud de una trayectoria (en millas, o en km) Energía debida a la resistencia a la rodadura Gasto de energía causado por la resistencia aerodinámica Consumo de energía para sistemas auxiliares. Qué tema abordaremos en esta información?Presentamos un nuevo tema, que es apasionante pero extenso. Se trata de analizar los principales factores, procesos de pérdidas energéticas, emisiones de CO2 que se generan por el uso de los Motores de Combustión Interna (MCI) en vehículos a lo largo de la cadena energética. Se incluyen en el sistema 4 tipos de vehículos, sedan, pickup, van y truck (camión de carga o autobus) abarcando los móviles de 4 y más de 4 ruedas Es casi imposible con los métodos e instrumentos y automática que vienen instalados en los autos modernos, o tenemos en casa, determinar el comportamiento energético del conjunto MCI que mueve un vehículo, pues en los datos ténicos del motor por lo general no viene registrada la eficiencia nominal de operación, como es en el caso de los Motores Eléctricos, que es normal que en fábrica le coloquen una chapilla metálica con información, incluyendo las características ténicas elétricas nominales como son la tensión, el voltaje, la corriente, su eficiencia, y otras más. Se suma que en este comportamiento tiene un gran peso la carrocería del vehículo, el peso, su forma, el tipo de neumáticos,en fin, múltiples factores que hay que tener en cuenta y que hacen complejo este análisis. La razón de este intento y motivación es convertir esos conocimientos y experiencia en herramientas que al ser aplicadas por muchos, ayuden a mejorar el mal uso de la energía y reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera . Siendo el conjunto MCI + vehículo uno de los equipos energéticos de mayor consumo de combustible fósil y por consecuencia, el transporte motor es uno de los mayores contaminantes atmosféricos en la estructura energética mundial. Todo lo que podamos ayudar y facilitar para que un ciudadano interesado pueda aplicar medidas que reduzcan ese impacto negativo sobre la atmósfera, tendrá un resultado notable y un beneficio global. Qué beneficios puede aportar dedicarle un tiempo personal a este asunto?Al final tendrá una fuente de información práctica y cantidades numéricas que cuantificarán los consumos de energía de un vehículo en una trayectoria recorrida, asi como la eficiencia aproximada del conjunto. Estos números facilitarán que saquemos conclusiones sobre la forma como usamos el vehículo y cuales son los ajustes para mejorar el uso. Ajustes que si los aplicamos, nos traerán ahorros al bolsillo y mejoras al ambiente. Este sistema de información y sus calculadores pueden ser aplicado a vehículos pesados de más de 4 neumáticos. Estrategia del BalanceEl análisis se realizará a lo largo de la cadena energética lo que quiere decir que abarca desde el punto donde se extrae la materia prima o crudo que posteriormente se transforma en los derivados de combustibles motor, hasta la energía útil teórica que requiere el vehículo para hacer su trabajo. Es bueno aclarar que en cada proceso de cálculo de este sistema, se reporta la ENERGÍA TEÓRICA O IDEAL que demanda la operación. La ENERGÍA REAL se obtiene cuando se compara el consumo real de combustible motor con el resultado de la energía teórica o ideal. En este sistema o balance utilizaremos el concepto de que si sumamos toda la energía ideal que demanda el motor (kWh_motor) para la marcha de un vehículo en una trayectoria y la comparamos con la cantidad real de combustible motor que el vehículo gastó en esa trayectoria, podemos calcular cuanto es la diferencia entre la cantidad real (conbustible consumido) y lo cantidad ideal (energía sumada en los calculos). Relacionando ambas cantidades logramos conocer la eficiencia real del vehículo. Los kWh_motor se calcularán en base a la energía útil, que se determina para cada factor que influye en el consumo del sistema, (desplazamiento y aceleración, ascenso y descenso de pendientes, rodaje y aerodinámica más los consumos auxiliares) considerando la eficiencia de un MCI del 25%, dato que se reporta en la actualidad como una media del rendimiento de esta máquinaria térmica. Es importante tener en cuenta que en ocasiones hay MCI con un nivel de eficiencia mayor, sobre todo cuando se realizan análisis en autopistas (SprayWay) en distancias mucho mayores a 100 km, donde el equipo puede desarrollar un rendimiento superior al 25% debido a la estabilidad de los parámetros de funcionamiento como pueden ser la velocidad de desplazamiento, la reducción de la cantidad de arrancadas, paradas, giros, etc. Se iran programando calculadores que van determinando los consumos (en kWh) y las emisiones de CO2 (en kg) de las diferentes operaciones o variantes de marcha a las que está sometido el vehículo durante cualquier trayectoria. En cada calculador se registran los datos particulares y se obtienen indicadores numéricos. El sistema de cálculo va integrando los datos y resultados hasta el final del proceso, se resume el balance total y se reporta la eficiencia del sistema. Por lo que se llega a concocer el efecto del uso del vehículo tanto en el bolsillo personal como en el medio ambiente. Previamente definiremos los siguientes términos, que seran utilizados a los largo de este proceso de cálculo: El sistema de procesamiento de datos, se compone de : El usuario irá registrando los datos que se solicitan en cada Formulario, y al hacer clic en Enviar el Formulario, el procesador mostrará en pantalla los resultados para cada proceso con los indicadores de comportamiento energético fundamentales. Concluido el primer paso, el sistema almacena esos resultados y el usuario puede pasar al segundo paso o siguiente página, haciendo cilc en el vínculo que está al final de cada página. Y sucesivamente, se registran datos y los resultados se van salvando en momoria hasta llegar al paso final, donde se registran el recorrido que se realizó en km, (sea igual o diferente a la Base del Balance o del Cálculo recomendada de 100 km), el consumo de combustible real de la prueba y los consumos de energía auxiliares que también son estimados. Al procesar esos datos el sistema muestra en pantalla los indicadores del Balance Energético del Vehículo. Conocimientos básicos. Reglas que impone la naturaleza que son inviolables.En la medida que se deseche menos materia y energía por cada unidad que entra a un sistema o equipo, y considerando que funciona correctamente, podemos decir que lo hizo mejor, con mayor eficiencia. Una parte de lo que entó lo utilizó el equipo en hacer su trabajo y otra parte la desechó En la medida que deseche menos, comparado con lo que entró, la cantidad de trabajo que hace es mayor. Y eso es lo que se aspira, que el trabajo se aproxime lo más posible a la energía que entra.Siguiendo la idea anterior, si contabilizamos la energía que sale y entra en una maquinaria y comparamos ambas, sabremos si hizo bien o mal su trabajo. Este es el fundamento de la Primera Ley de la Termodinámica, que es inviolable. Esta Ley expresa que ni la materia ni la energía se crean, ni se destruyen, solo se transforman. Todo lo que entra, sale, bien en forma de trabajo, bien en forma de desecho. Energía que entra - Energía que sale(desecho) = Energía que se transforma y se utiliza(trabajo) Hasta el día de hoy, nadie ha podido lograr que salga del equipo más materia o energía de la que entra. La Segunda Ley de la Termodinámica es más complicada de explicar. La termodinámica establece que es imposible que un ciclo térmico de un motor que entregue trabajo, se ejecute si no funciona inyectando un fluido caliente a una temperatura elevada respecto a la del ambiente y se transfiera ese calor a otro fluido a una temperatura menor cercana al ambiente. Hay presente una diferencia de temperatura, donde inevitablemente T2 siempre es mayor que T1. Si calculamos la eficiencia de ese ciclo ideal, veremos que por naturaleza es menor que 100. Y ese proceso de intercambio de energía con el ambiente, que realiza la máquina térmica, desordena el equilibrio de la naturaleza, digamos que la va envejeciendo. Técnicamente se dice que desordena el estado de equilibrio de la naturaleza. En la medida que la temperatura sea mayor, más trabajo podemos extraer de este equipo ideal, pero nunca se podrá alcanzar el 100%. Teóricamente la Segunda Ley se expresa de varias maneras, se puede encontrar en Wikipedia Resumiendo. La primera regla nos dice que todo la materia o energía que entra a un sistema térmico, sale. Una parte de ella se transforma o se emplea como trabajo útil y la otra se desecha o se disipa al medio ambiente. Por eso las máquinas térmicas (como los motores de gasolina y diésel) tienden a desperdiciar gran cantidad de energía en forma de calor. La tecnología de estas maquinarias en constante evolución tan sólo pueden dar pequeños pasos de mejoras reduciendo pérdidas de esa gran cantidad de energía que se desperdicia, porque las máquinas térmicas están limitadas de modo absoluto por las leyes físicas en las que se basa su funcionamiento, que son los principios de la termodinámica. Los niveles de eficiencia alcanzados en los motores actuales se acercan al límite termodinámico. Veamos el Cilo de Carnot Trabajo IDEAL de un MCI. El Ciclo Carnot. La eficiencia de una máquina térmica de Carnot sólo depende de la temperaturas máxima T2 y mínima T1 entre las que trabaja por lo que, conocidas esas dos temperaturas, podemos calcular la eficiencia IDEAL que un MCI alcanzaría. Remarco el concepto eficiencia IDEAL. Esto quiere decir que no es posible que una máquina térmica real funcione con una eficiencia IDEAL.
El comportamiento ideal implica que el proceso se realiza con total ausencia de rozamientos y pérdidas nulas por bombeo. Los procesos de combustión son instántaneos, el tiempo de apertura y cierre de válvulas es cero, los procesos de compresión y expansión son lentísimos y hay un aislamiento térmico perfecto, sin pérdidas de energía. Nunca una MCI podrá funcionar de esa manera Principales fuentes de pérdidas de un Motor de Combustión Interna. Balance Térmico de un MCI.
En la figura anterior que muestra el balance de energía de un motor real, se contabilizan las entradas y salidas de energía a la máquina. De cada 100 unidades de energía que entran al MCI, hay una gran parte de ella que se pierde por diferentes conceptos : Tomado en cuenta que es muy dificil aumentar el rendimiento del MCI sobre el 25 %, se vienen desarrollando soluciones alternativas que complementa el trabajo de este motor. Desde hace años aparecieron los Sistemas de Recuperación de Energía llamados híbridos por utilizar en el movimiento del vehículo dos fuentes de accionamiento de sus ruedas, una las del MCI y otra procedente de un Motor Eléctrico que a su vez se alimenta de una batería que se autocarga con parte de la energía que se pierde al ambiente, cuando el móvil está en movimiento. El vehículo cuando frena tiene una energía almacenada producto de su masa y la inercia que se genera. Al descender una pendiemnte desarrolla una energía potencial que puede ser recuperada. Y durante un desplazamiento horizontal, una parte de la energía cinética en aquellos momentos en que el movil mantiene su desplazamiento, también puede ser aprovechada. Eso son los estados principales donde este sistema recupera energía. MCI de Diesel. RendimientosDefiniremos el concepto de eficiencia o rendimiento que vamos a utilizar a comtinuación. Entendemos el rendimiento de un motor como el trabajo realizado por cada unidad de energía consumida. Conocimos que existe un límite absoluto para el rendimiento de cualquier máquina térmica, que es el rendimiento de una máquina imaginaria, perfecta y reversible cuyo proceso de funcionamiento se conoce como Ciclo de Carnot. Esta eficiencia máxima «perfecta» se encuentra ya bastante por debajo del 100% y es importante destacar que, siendo un máximo físico, absoluto y universal, no es posible superarlo por medios tecnológicos. La realidad nos dice que cuando el trabajo realizado es menor que la energía consumida, la pérdida o diferencia entre ambos valores se transforma en calor, que podemos considerar como energía perdida al ambiente Es difícil encontrar un dato preciso de temperatura máxima alcanzada en la cámara de combustión de un motor, pero los hidrocarburos arden alrededor de 2000 grados C y ya parece bastante realista considerar unos 1600 grados C como la temperatura media de toda la cámara del motor en el instante final de la combustión. Así que si nos basamos en un funcionamiento ideal, un motor que funcione entre 1600 grados C y la temperatura ambiente de 30 grados C, tendría una eficiencia ideal de 1-[(303 grados Kelvin/1873 grados Kelvin)] de un 83.7% (lo vimos antes), es decir que en el caso ideal se perdería no menos de un 16% de forma de calor. El motor Diesel (Ciclo Diésel), que difiere ligeramente del de gasolina, permite relaciones de compresión mayores. El cálculo realizado sobre el modelo teórico de este ciclo, se puede ver que su rendimiento para una relación de compresión de 18:1 es de un 63,2%. Este rendimiento (que es inferior al máximo absoluto de Carnot) corresponderían a motores ideales, MCI de Gasolina. RendimientosEmpezando por un motor de Ciclo Otto (gasolina convencional) y según este cálculo explicado por la Universidad de Sevilla, tomando datos razonables para las variables implicadas, la eficiencia máxima (ideal) de un motor teórico perfecto de gasolina con relación de compresión 8:1 es de un 56,5%. Como comprobamos, el MCI de gasolina tiene una relación de compresión menor que el MCI Diesel, de ahí que sea menos eficiente Gasto energético de un vehículo por un desplazamiento determinadoComo hemos visto, en la realidad más de la mitad de la energía contenida en el combustible se pierde inevitablemente en forma de calor antes de empezar a mover la transmisión. Al margen de las mejoras tecnológicas que indudablemente se pueden hacer, los motores térmicos son, por definición, un despilfarro energético de primera magnitud y no podrán dejar de serlo. Los principios básicos de la termodinámica lo impiden de un modo absoluto.
Iremos a la realidad durante el uso de un vehículo, para lo que tomaremos en cuenta el rendimiento del mismo y las emisiones que se producen tanto en forma de gas como del calor que disipa. Para ello nos basamos en el artículo "La física del consumo energético en automóviles, tomado de: https://victorgomezgarcia.wordpress.com/, de febrero 23, 2017 by Víctor, fuente que me ha sido muy útil para ordenar los pasos a tener en cuenta en la programación del sistema de procesadores Las principales causas físicas de que un vehículo necesite energía para su funcionamiento son las siguientes: Desde el punto de vista energético para acelerar y desplazar el vehículo es necesario aportar una energía de acuerdo a la expresión de la energía cinética. Energía cinética de traslación, Ec[Joule]: Además, debido a que las ruedas realizan un movimiento de rotación es necesario incluir la energía cinética rotacional correspondiente a las mismas. Energía cinética rotacional, Ecr [Joule]: La energía total necesaria para acelerar el vehículo desde una velocidad inicial ‘vi’ a una velocidad final ‘vf’ se calcula de la siguiente forma. Ec = ½ · m ·(vf² - vi²) + ½ · I · (?f² - ?i²) donde : Momento de inercia de las ruedas, I [kg·m²]: Aplicaremos estas expresiones a un vehículo concreto, el Volkswagen Golf 2.0 TDI MK7. En las siguientes dos tablas se registran los datos técnicos, se calcula el momento de inercia de un neumático R16 con un peso entre el ring y el neumático de 20 kg, se obtiene la energía de traslación y rotación necesarias para acelerar este vehículo partiendo de una velocidad inicial hasta un valor final. Cada vez que esta operación se realiza, sea una parada - arranque, o una reducción de velocidad con una aceleración posterior, el vehículo demandará la energía que lo acelere desde la velocidad inicial a la final:
Se puede apreciar como la energía cinética de rotación de las ruedas es mucho menor que la de traslación. La Ec_rotac es menor al 10 % del consumo de ambas o total (Ec_Tot) que demanda la aceleración y desplazamiento del vehículo. Este porcentaje es similar en el conjunto de los móviles actuales. El grueso de la demanda energética para acelerarlo y desplazarlo corresponde a la energía cinética de traslación de la masa total del mismo. Como indica la expresión de la energía cingética, se comprueba como aumenta con el cuadrado de la velocidad, así, para acelerar desde parado hasta 100 km/h se necesita 4 veces más energía que para acelerar hasta los 50 km/h. El factor más influyente en el consumo de energía a la hora de acelerar y desplazar el vehículo es la masa total del mismo, que influye de forma directamente proporcional, lo cual quiere decir que si reducimos la masa a la mitad, la energía necesaria para esta tarea también se reducirá a la mitad. Si calculamos que cantidad de energía consume el vehículo cada vez que paramos y volvemos a acelerar y lo multiplicamos por la cantidad de veces que lo hacemos en un trayecto dado, podemos comparar los kWh calculados con los kWh de energía que consumió el vehículo (litros de gasolina). Resultará que a mayor parada - arranque en un trayecto, mayor será el consumo. La cadena energéticaAhora bien, si nos interesa conocer la cantidad de CO2 que se ha generado, pues no solo tenemos que considerar la cantidad de gasolina que compramos en la estación de gas y cargamos el tanque de combustible del vehículo. Hay que considerar que esa gasolina fue destilada y rectificada pues es un derivado de un combustible fósil, en este caso el fuel oil o crudo primario. Este crudo fue extraido del subsuelo y procesado localmente para eliminar impurezas y poderlo asimilar por el proceso de refinación. Una vez terminado de procesar, se ha transportado a la refineria, para destilarlo y obtener los derivados del fuel oil, entre ellos la gasolina. De la misma forma la gasolina ha sido almacenada y transportada a la estación donde cargamos el tanque del vehículo. Cadena energética desde el crudo primario y hasta el combustible motor (1).Principales consumos energéticos en el proceso de refinación del crudo para obtener los derivados, diesel, gasolinas y otros.Consumo de energía en una refinería de petróleo. Principales consumos energéticos en el proceso de extracción del crudo o materia prima destinado a la refinación posterior.En la medida que se han ido agotando las posibilidades de una extracción del crudo fácil, la que se realizaba en los territorios donde se encontraba el mineral muy cerca de la superficie, se requerian equipos muy sencillos (torres de perforación, motores, barrenas) y unos pocos gastos de inversión y de operación. Con un costo bajo y de una manera sencilla se podian extraer grandes cantidades de crudo. Pero eso ha ido cambiando en el tiempo. Decadas atrás, los costos energéticos de este proceso eran casi despreciables, mínimos, con una tasa de recuperación de 100:1 En la actualidad la extracción ha elevado considerablemente los costos. Se exigen exploraciones en zonas remotas, perforaciones más profundas, áreas más inaccesibles, mar adentro, en los océanos ártico y antártico, en perforaciones medidas en kilómetros y mediante plataformas marinas costosisimas, que han llevado a la situación de que un barril extraído y vendido en US$ 60.00 representa escasamente un TRE de 100:5 y hasta 100:10 (entre 5% y 10%,) ritmo que acelera la llegada a valores superiores. Consideramos un cargo del 10% en peso. Las pérdidas en el Motor de Combustión InternaAntes revisamos la eficiencia de los MCI. De las 100 unidades de energía que entran al MCI, se utiliza en hacer el trabajo de transporte del vehículo, una cuarta parte, 25. Otras consumos de combustibles que se deben tener en cuenta en la cadena energética, son debidos a : -Por evaporación y metraje (correxión por temperatura). Conclusión. Los índices de consumos en la producción del combustible motor que debemos tener en cuenta a lo largo de la cadena energática son: Agregando el cargo por la ineficiencia del MCI, tenemos que de cada 100 unidades de combustible motor que llega al vehículo, se pierden 75. Se transforman en trabajo útil 25. En los calculadores del sistema se obtiene la energía útil que se necesita en cada proceso de movimiento, traslado del vehículo. Al considerar estas pérdidas en cada paso, se determina la cantidad de crudo o energía primaria que estos procesos demandaron. (1)Fuentes: La energía necesaria para superar un desnivel por un cuerpo viene dada por la expresión de la energía potencial.Energía potencial, Ep [Joule]: Ep = m · g · (h2 - h1) De nuevo, al igual que en el apartado anterior el factor más influyente es el peso total del vehículo, que determina de manera directamente proporcional en el gasto de energía necesaria para vencer el desnivel. La aceleración de la gravedad (9,81 m/s²) viene impuesta por la masa de la tierra y el desnivel acumulado, aunque puede reducirse mediante infraestructuras, como túneles y viaductos, también nos viene impuesto por la geografia del trayecto. En la realidad el vehículo sube y baja las alturas mediante pendientes, no lo hace verticalmente. La inclinación que tenga la pendiente, su longitud y la velocidad, determinarán directamente en el consumo de energía del vehículo para desplazarse. Es evidente que a mayor peso, pendiente y velocidad, el consumo es mayor. Las ecuaciones para determinar el comportamiento energético de un vehículo despazándose por una pendiente son: En la tabla siguiente y para el mismo vehículo se calcula la fuerza que se realiza y el consumo de energía que demanda para ascender pendientes con diferentes desniveles.
En las tablas que se muestran abajo, se calcula la potencia que necesita este vehículo para ascender pendientes con diferentes velocidades, aplicando la expresión Potencia: P = m · g · v · sen (arctan ('Pendiente'))
Determinando la altura (en metros, o en pie) y la longitud de una trayectoria (en millas, o en km)Si el lector está interesado en hacer el Balance Energétivo de su vehículo con la mayor exactitud, es imprescindible realizar la tarea de conocer cuantas pendientes o ascensos existen en un trayecto determinado así como sus alturas y longitudes. Existe online una herramienta gratuita que ayuda a realizar este trabajo. Ver plotaroute.com El website dispone de videos tutoriales como manual de usuario, que facilita la operación Solo requiere de la atención del interesado. El sistema de geolocalización sigue la ruta por las vía donde se va a circular, desde el lugar de origen y hasta el lugar de destino. Haciendo clic en las vias del mapa, el usuario define la ruta. El programa mide las alturas de cada colina o pendiente y halla por diferencia la distancia al punto anterior.
La distancia del trayecto que debe analizar y computar las pendientes, debe coincidir con la base del Balance, que recomendamos sea de 100 km o cercano a esta longitud Pasando el cursor sobre el pérfil de la trayectoria, se puede comprobar cada colina, y por diferencia la longitud y la altura. Como esta vista en pantalla se puede ampliar, la tarea de determinar las características de las colinas de mayor altura, puede ser interesante para el usuario. Resistencia al rodaje y la energía que consumeSabemos que cantidad del combustible que compramos y le echamos al tanque del vehículo se gastan en los neumáticos? Se puede afirmar que no es poco, y no es mucho menor que el 20% de la compra. Motivos por los que el neumático consume energíaa) Las deformaciones que sufre el neumático al apoyarse en la pista de rodamiento, este se aplasta debido al peso que soporta y se aplana en el punto de contacto con la superficie de la pista. Estas deformaciones son mayores cuando el neumático está bajo de aire.b) Estas deformaciones también se presentan cuando se hacen giros en las curvas, en cada aceleración y en cada frenado c) A las deformaciones del neumático en el área de contacto debida a las irregularidades de la capa de rodamiento de la carretera. De esta forma el neumático está sometido a constantes deformaciones. Esas deformaciones presionan el material y a la estructura molecular del caucho, que no para de deformarse, produciendo movimientos de compresión y expansiones, rozando las cadenas moleculares unas con otras, lo que evidentemente va generando el calor. Es imposible evitar esta perdida de energía pero se puede disminuir Los fabricantes de neumáticos investigan y desarrollan constantemente nuevas tecnologías en busca de reducir las pérdicas por rodaje, introduciendo materiales que disminuyan el peso y mejoren la superficie de rodamiento para asegurar el agarre. Menos materia a deformarse, equivale a menos calentamiento. Es importante aclarar que esta resistencia a la rodadura no tiene nada que ver con el rozamiento. El rozamiento se produce cuando dos cuerpos se deslizan uno sobre otro. Los neumáticos al desplazarse experimentan un ligero rozamiento con la pista de rodaje. En la práctica ocurre puesto que el neumático gira, se apoya e impulsa el peso del vehículo, buscando satisfacer la aceleración que exige el motor. En la arrancada y frenado violento, si está presenete en un alto porciento. Resumiendo, entre las deformaciones que sufre el neumático por flexión a la compresión y las fuerzas que se le oponen a su empuje, este componente se encuentra sometido a esfuerzos que determinan sensiblemente en el consumo de energía del vehículo
Fuerza de resistencia de rodadura, Frr [N]: El coeficiente de rodadura se puede definir como la fuerza necesaria para mantener la rotación a velocidad constante, por unidad de peso que soporta, en una superficie plana horizontal y sin ninguna influencia externa, como pudiera ser la fuerza aerodinámica. El coeficiente de resistencia a la rodadura Cr se calcula dividiendo la resistencia a la rodadura Fr por la carga soportada
por el neumático Lm: El coeficiente de rodadura se puede definir como la fuerza necesaria para mantener la rotación a velocidad constante, por unidad de peso que soporta, en una superficie plana horizontal y sin ninguna influencia externa, como pudiera ser la fuerza aerodinámica.
Como ejemplo, para un vehículo de 1000 kg equipado con ruedas de coeficiente de rodadura Crr = 0,01, será necesaria una fuerza de 10 kg (ó 98,1 N) para mantener la velocidad constante. El coeficiente de rodadura esta influido por múltiples factores: Es habitual expresar el valor del coeficiente de rodadura en kilogramos por tonelada (kg/t). El significado es el mismo que el visto anteriormente, para un vehículo de una tonelada con neumáticos con Crr = 10 kg/t (ó 0,01) sera necesaria una fuerza de 10 kg (98,1 N) para mantener una velocidad constante por tonelada de peso del vehículo. La Fuerza de resistencia de rodadura, (Frr) debe ser medido a temperaturas entre 20 y 30 grados centígrados. Si esto no se cumple, debe efectuarse una corrección por temperatura a la fuerza por la resistencia Frr(25ºC), mediante la expresión Fr(25ºC)= = Fr [1 + K (TambºC – 25ºC)] Los valores máximos del coeficiente de resistencia a la rodadura correspondientes a cada una de las clases de eficiencia que están normadas, no superarán los valores indicados en la Tabla a continuación (el valor del coeficiente de resistencia a la rodadura expresado en N/kN equivale al valor indicado en kg/tonelada). Es habitual expresar el valor del coeficiente de rodadura en kilogramos por tonelada (kg/t).
Apliquemos lo visto antes a un ejemplo real. Calcularemos el gasto energético por rodadura en función de la masa total del vehículo, equipado con neumáticos del grupo C1, clase de efciencia C con un CRR ? 0.084 kg/kg (80.4 kg/t) para un desplazamiento de 100 km.
Podemos comprobar como varía el gasto energético en el desplazamiento si cambiamos los neumáticos por otros que tengan un mejor Crr. En una tabla Excel podemos hacer varias corridas considerando un vehículo con un peso de 1500 kg (1.5 ton). En mi caso para neumáticos del grupo C3, clase de efciencia C con un CRR ? 3 y para un desplazamiento de 100 km, el consumo energetico fue de 2.0 kWh/100 km, que comparado con el resultado de la tabla anterior, con neumáticos del grupo C1, clase de efciencia C con un CRR ? 8.4 cuyo gasto resultó de 5.6 kWh/100 km, nos reporta una reducción de 3.6 kWh/100 km . Partiendo de la compaaración anterior que hicimos, donde calculamos que un litro de gasolina a temperatura ambiente contiene 7 a 8 kWh, podemos afirmar que ahorramos cada 100 km 0.5 litros de gasolina>
Gasto de energía causado por la resistencia aerodinámicaSe denomina fuerza aerodinámica, o simplemente resistencia, a la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire, y en particular a la componente de esa fuerza en la dirección de la velocidad relativa del cuerpo respecto del medio.
La fuerza de arrastre se caracteriza mediante la siguiente expresión: El coeficiente aerodinámico se representa con las letras Cx y el valor de referencia, 1, es representado por una plancha cuadrada de metal de 1 metro de lado ( o un cubo de 1 metro de lado). En la actualidad la mayor parte de los vehículos se mueven entre el 0,25 y el 0,40, considerándose más eficiente cuanto menor sea el valor. Vehículos como los camiones o las motos cuentan con un coeficiente muy superior al de las generalmente estilosas carrocerías de los sedanes, pues sus líneas son mucho más abruptas y heterogéneas. El diseño, forma y tamaño de elementos como parrillas, neumáticos, llantas y retrovisores, así como el tipo de carrocería, influyen de manera decisiva en la eficiencia aerodinámica de un vehículo, pero también su tamaño. Un vehículo de pequeño tamaño con un mal coeficiente puede generar menos resistencia que un gran turismo con un diseño muy trabajado El Cx en la mayoría de los coches de producción está entre 0,25 y 0,40; algunos coches experimentales o prototipos bajan de 0,20. El Cx es uno de los datos necerarios para calcular la resistencia aerodinámica, que es una fuerza. El otro dato es un área de referencia que, en coches de producción, es equivalente a la superficie frontal. La razón por la que se escoge la superficie frontal es que se supone que por detrás del plano de mayor área es donde se produce la separación del flujo aerodinámico de la carrocería; esta separación del flujo es la principal causa de resistencia aerodinámica en coche de producción. Al multiplicar el coeficiente de penetración Cx, tomado como número adimensional, por la superficie frontal expresada en m², queda un valor de resistencia aerodinámica SCx, expresado también m². Se llama coeficiente de penetración «Cx» porque la x indica una dirección en un eje de tres coordenadas; al coeficiente vertical o de elevación se le denomina «Cz» por la misma causa. Otra forma de referirse al coeficiente de penetración es Cd, donde la d es la inicial de la palabra inglesa «drag»; según esta nomenclatura, el coeficiente de elevación es Cl, por «lift». A modo de referencia, una bicicleta tiene un Cx aproximado de 0,9, mientras que un Fórmula 1 puede llegar a 1,1 al contar con ruedas cuyas bandas de rodadura son lisas, sin dibujos, y cuentan también múltiples alerones y demás aditamentos que buscan generar carga aerodinámica para tener más agarre en curva, compensando la gran resistencia al avance con motores muy potentes. Por otro lado, un camión convencional ronda un 0,6 de Cx. El coeficiente varía mucho en función de la carrocería, pero estos son algunos de los modelos más representativos de la historia de la automoción. Ver la tabla que sigue.
La potencia que ejerce la fuerza de arrastre sobre el vehículo, a su vez, se obtiene del producto de la fuerza por la velocidad. Factores que influyen en el consumo de energía debido a la resistencia aerodinámica. Un ejemplo real Nuestro vehículo tiene un coeficiente de penetración Cx de 0.27 y una superficie frontal de 2.19 metros cuadrados. La densidad del aire la consideramos a una temperatura ambiente de 30 ºC como 1.1644 kilogramos por metro cúbico. La fuerza de arrastre, la potencia para vencer dicha fuerza y el consumo de energía estarán en función de la velocidad a la que se circule.
Se aprecia como la energía consumida debido a la resistencia aerodinámica depende del cuadrado de la velocidad y la potencia, sin embargo, de la velocidad al cubo. La potencia necesaria para vencer la resistencia aerodinámica se dispara a altas velocidades. Tanto la forma como el tamaño influyen en la aerodinámica del vehículo, siendo los más grandes los más perjudicados. Consumo de energía para sistemas auxiliares.Estos sistemas auxiliares en general son: El sistema de iluminación más utilizado y menos eficiente se basa en luces halógenas. La potencia típica de este tipo de luces son: Si todas las luces del vehículo se mantuvieran encendidas durante la marcha, aún así su consumo es despreciable si se compara con los conceptos que antes analizamos. La iluminación del vehículo mayormente es ocasional, se utilzan más lámparas cuando circulamos de noche. Las de frenado, marcha atrás su uso no es constante. En algunas ciudades es obligatorio marchar con la luz corta encendida por lo que en ese caso su consumo es todo el tiempo que se esté circulando. Por lo tanto este tipo de consumo se estima y depende de cada caso. Una media de ese consumo, cuando se circula con la luz corta encendia es de unos 140 Wh (0.14kWh/100 km). Comparado con los consumos anteriores, es despreciable. ClimatizaciónEl consumo energético del sistema de aire acondicionado es similar al de la bomba de calor. Para recorridos en ciudad, se encuentra entre entre 2 y 3 kWh/100 km. Lo mismo en la calefacción ConcluyendoLa energía NETA (IDEAL), que hemos definido como los kWh_util requeridos para la marcha de un vehículo, se calculan sumando los consumos de energía analizados en cada uno de los procesos o apartados anteriores. Y hemos llegado al final de este artículo. En las páginas siguientes encontrará los procesadores de cálculo, donde se registran los datos personalizados en los formularios y se obtienen los indicadores que marcan la eficiencia del vehículo que utiliza un Motor de Combustión Interna. Al final se van integrando los resultados y se muestra en pantalla un reporte con el Balance Energético del Vehículo, con datos que facilitan entender lo bien o mal que funciona, y en que puntos podrímos mejorar.
Los datos que necesita registrar en cada Formulario del sistema son: |
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Continua en la siguiente páginaSi ha llegado hasta el final de este documento, seguro tiene curiosidad por utilizar el sistema de procesadores. De ser así le sugiero que primero busque y anote los datos de fábrica de su vehículo y los datos que no están en función de la realización de la prueba, como es las millas iniciales. Haga un Plan, trace una trayectoria previa para hacer el diagnótico, visite el website plotaroute.com, haga el trazado en el mapa, calcule las pendientes equivalentes y sus características. Antes de iniciar el diagnóstico, rellene el tanque de combustible, y fije el punto de partida en la Estación de gas ,igualmente fije un punto de llegada cercano o en una Estación de gas. Recorra no menos de 100 km, mida la distancia del trayecto correctamente (dos fuentes, el mapa del website y el cuentamillas). Al concluir el recorrido, rellene nuevamente el tanque y por difeerencia obgtenga el consumo real del combustible motor. Con estos datos, entonces aplique los Formularios y obtenga su Balance Energético. Suerte. En la hoja siguiente se realiza la primera operación, que es determinar el consumo de energía en cada aceleración que realiza el vehículo. Active el link siguiente, Potencia y la Energía consumida debido a la aceleración. | ||||||||||||||||||||||||
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