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La entrega de par: Motores de combustión Vs. motores eléctricos. ¿Quién gana y por qué?

Siempre he sido gran admirador de las formas de propulsión alternativas y, por desgracia, he tenido que escuchar unas cuantas veces en mi vida que los motores eléctricos y los vehículos híbridos no están a la altura de los modelos de combustión. Pero claro, mi pregunta es: ¿No están a la altura en qué? Y mi mayor satisfacción es cuando alguna mente brillante incluye entre sus razones “que no tiran” o “que son mucho menos potentes”. Bendita ignorancia.

Desde luego, si hay algo por lo que destaquen los coches eléctricos es por su entrega de par motor instantánea, lo que supone una aceleración en la gran mayoría de los casos que ya le gustaría a muchos modelos de combustión. Sin ir más lejos, el BMW i3 dejaba atrás al mismísimo BMW M3 de la anterior generación; o el nuevo Tesla Model S P100D es capaz de alcanzar los 97 km/h desde parado en tan solo 2,5 segundos. Sí, sé que parece lo típico que te cuenta tu cuñado en la cena de Navidad tras cuatro copas de vino y tres cervezas, pero son datos empíricos.

Los eléctricos tienen una entrega de par instantánea

El Par y la potencia

La entrega de par es uno de esos aspectos del motor que más quebraderos de cabeza ha causado entre los fabricantes de automóviles a la hora de desarrollar sus vehículos de alto rendimiento en los últimos años. Los clientes esperan que sus coches entreguen el máximo par posible, lo más rápido posible y durante el máximo tiempo posible -o mejor dicho, durante el mayor rango de revoluciones posible-, lo que ha llevado a los fabricantes a buscar diversas formas de manipular la tecnología más antigua de los motores de combustión interna.

La llegada de los vehículos eléctricos al mercado ha hecho que la reputación en términos de par de algunos motores de combustión interna esté en riesgo. 

Por suerte, el número de personas que desconoce este hecho es bastante reducido. Sin embargo, sí que hay mucha gente que desconoce por qué los modelos eléctricos son capaces de lograr esa entrega de par instantánea, cuestionándose al mismo tiempo por qué no ocurre lo mismo en los motores de combustión. Pues bien, estas dudas son las que os voy a tratar de resolver hoy explicándoos cómo se consigue generar esta ventaja tan notable en la entrega de par. Con un poco de suerte igual hasta conseguimos que los petrolheads respeten los motores eléctricos.

Antes de entrar en materia, voy a aclarar tres conceptos que me parece necesario que queden claros para entender lo que voy a explicar. Por un lado, el par motor, que es la fuerza con la que gira el eje del motor y se mide en Newton/metro (Nm). Este es diferente al régimen de giro, que es el número de vueltas que da el eje motor por unidad de tiempo y se mide en revoluciones por minuto (rpm). Por último, la potencia del motor, que es la cantidad de trabajo realizada por unidad de tiempo y se obtiene de multiplicar el par por las revoluciones. Se mide en caballos de vapor (CV) o en Kilowatios (kW): 1 kW = 1,36 CV.

Como no es fácil explicar la diferencia entre par y potencia, voy a recurrir al clásico ejemplo de la bicicleta para explicároslo. Imagina que vamos en bici a velocidad constante gracias a la potencia de pedaleo. Las revoluciones serían las vueltas completas del pedal, mientras que el par sería la fuerza ejercida sobre los pedales. Bien, supongamos ahora que cambiamos a un piñón más pequeño manteniendo la velocidad, lo que ocurre es que el desarrollo se alarga, las revoluciones por minuto disminuyen y el pedaleo se hace más duro: necesitamos más par, es decir, más fuerza sobre los pedales.

Si por el contrario pasamos al plato grande, volveremos a aumentar el desarrollo, y si ya no podemos mantener la velocidad no será porque nos falte potencia -ya que el rozamiento del aire y el asfalto no varía a velocidad constante y la potencia necesaria para vencerlo será igual, independientemente del desarrollo- sino porque el pedaleo se vuelve demasiado duro y no podemos ejercer sobre los pedales un par suficiente. Sin embargo, si vamos reduciendo el desarrollo, la exigencia de par será cada vez más escasa, pero llegará un momento en el que la velocidad de giro será tan alta que tampoco podremos mantener la velocidad. Pues en los vehículos de motor sucede exactamente lo mismo.

Tesla vs Nissan GT-R

A la hora de mover cargas pesadas como, por ejemplo, un camión, se utilizan motores elásticos (tienen buenos valores de par desde bajas vueltas) y de par muy elevado, mientras que para cargas ligeras o en competición se utilizan motores muy revolucionados en los que el par a bajas vueltas no es tan importante.

Para explicarlo, recurrimos a los gráficos de potencia, par y revoluciones, los cuales definen las relaciones entre estos parámetros para cada motor. Seguramente en bastantes ocasiones hayáis visto alguno de un motor de combustión interna, pero tal y como os mostraré un poco más adelante los motores eléctricos presentan ventajas importantes frente a los térmicos en esta área.

La entrega de par en un motor de combustión interna

Voy a centrar la explicación en los motores de combustión interna con pistones por aquello de que son los más abundantes, aunque gran parte de la explicación es aplicable también a otro tipo de motorizaciones.

Como sabéis, un coche de gasolina se mueve gracias a la quema y explosión controlada de este combustible dentro del cilindro. El aire y la gasolina vaporizada se prenden fuego con una chispa eléctrica y la fuerza de esta explosión empuja el pistón. Pues bien, si la presión a la que está sometido el pistón -generada por la energía que se libera en la explosión- la multiplicamos por la superficie del mismo, obtenemos una fuerza (F) que, en nuestro Sistema Internacional de Medidas, se mide en Newtons.

Como esa fuerza se produce en línea recta, perpendicular al plano que forma la superficie del pistón, es necesaria la existencia de la biela y el cigüeñal que transforman en 180 grados de rotación todo el recorrido que hace el pistón tras la explosión hacia abajo, hasta que la mezcla de gasolina y aire se termina de quemar. Pero, ¿cómo influye esto en el par? Sencillo, hagamos memoria de la infancia y recordemos la clásica ‘Ley de la palanca’ o ‘los pares de fuerzas’ que tan presentes están en todos los aspectos cotidianos de nuestra vida: Un par de fuerzas es la combinación de una fuerza multiplicada por una distancia. En el caso del motor, aprovecharnos la ventaja de tener una fuerza a una distancia para generar un trabajo.

Par motores combustión interna

El par motor o “torque” es el producto de la fuerza aplicada (F) de empuje a los cilindros por la distancia (d) al eje geométrico de giro del árbol del cigüeñal. PAR = Fuerza x Distancia.

Al producirse la explosión, la fuerza toma todo su cuerpo en la cabeza del pistón y esta alcanza el cigüeñal casi de manera alineada, pero a medida que el pistón baja hasta llegar a los 90 grados de giro -gracias a la biela-, la fuerza se transfiere cada vez a mayor distancia del eje de giro del cigüeñal, es su práctico máximo. En los 90 grados restantes hasta que el pistón llega abajo del todo (donde sería su mínimo), la biela va transfiriendo de nuevo poco a poco la fuerza cada vez más alineada con el eje del cigüeñal. Y a esto hemos de añadirle que la presión ejercida sobre el pistón no es constante durante todo el proceso, sino que va cayendo poco a poco a medida que se produce la expansión de la mezcla quemada.

En resumen, la fuerza que genera el pistón se transforma en un “par” rotacional de manera variable, es decir, la fuerza del pistón se multiplica por una distancia que varía durante todo el recorrido del pistón hacia abajo.

Pero ojo, que aquí también influye la velocidad de giro del motor y, aunque pueda parecer lógico que cuanto mayor sea esta, mayor será el valor de par producido, por desgracia no es tan simple. Para empezar, hay cambios de velocidad en la combustión, por lo que un motor no trabaja siempre a las mismas revoluciones y no ofrece el mismo par en todo el rango de revoluciones.

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Es por ello que todos los fabricantes de automóviles invierten grandes esfuerzos y sumas económicas en hacer que la velocidad de combustión pueda adaptarse a cada régimen de revoluciones, tratando con ello de mantener el par lo más uniforme posible en todo el rango de revoluciones, desde el ralentí hasta el corte de inyección, lo que se consigue por medio de la inyección directa, la admisión y la distribución variables, la sobrealimentación variable o la alzada variable de válvulas, entre otras soluciones tecnológicas.

El inconveniente de esta masiva entrega de par es el retraso que se produce hasta alcanzar el par máximo. A partir de bajas RPM, la velocidad del motor se eleva lentamente hasta alcanzar su umbral máximo de par motor, que en la mayoría de los motores de aspiración natural se encuentra en una zona elevada de la gama de revoluciones. Por ello, las lagunas de par son inherentes al mapa del motor de un propulsor de combustión interna, algo que los fabricantes recientemente han tratado de minimizar con el uso de turbocompresor y vectores de par.

La entrega de par en un vehículo eléctrico

Como probablemente sabréis, los coches eléctricos son, mecánicamente hablando, extremadamente simples. Carecen de un gran número de piezas móviles y de desgaste y son realmente fiables, aprovechando adicionalmente más del 90% de la energía que consumen. Por otra parte, también juegan con la ventaja de no requerir apenas mantenimiento, y en términos de rendimiento ofrecen una curva de par plana, especialmente a bajas revoluciones y todo ello sin ruidos ni vibraciones.

En un vehículo eléctrico, las baterías determinan la potencia que puede usar el motor, la autonomía total del coche y su diseño.

En ellos el motor transforma la energía eléctrica en energía mecánica, es decir, en el movimiento del vehículo. También permite recuperar la energía del frenado, transformando la energía cinética -movimiento- en energía eléctrica que se almacena en las baterías. Además, no es necesaria una caja de cambios ni un embrague porque el motor eléctrico puede trabajar en un rango de velocidades suficientemente amplio, llegando incluso a alcanzar la 20.000 revoluciones por minuto o más.

Las partes del motor eléctrico

 

partes de un motor eléctrico

  • Un estator –  Es la parte fija de la parte rotativa y uno de los elementos fundamentales para la transmisión de potencia (en el caso de motores eléctricos) o corriente eléctrica (en el caso de los generadores eléctricos), siendo el rotor, su parte contraria y móvil.
  • Un rotor – Es el componente que gira o rota dentro de una máquina eléctrica, ya sea un generador o motor eléctrico. Está formado por un eje que soporta un juego de bobinas enrolladas sobre unas piezas polares, estáticas.
  • Un conmutador – Es un interruptor eléctrico rotativo que se encuentra en algunos motores y generadores eléctricos. Periódicamente cambia la dirección de la corriente entre el circuito externo y el rotor.
  • Escobillas – En los motores o generadores eléctricos se debe establecer una conexión fija entre la máquina con las bobinas del rotor. Para esto se fijan dos anillos en el eje de giro, aislados de la electricidad del eje y conectados a la bobina rotatoria, a sus terminales. En frente de esto se encuentran unos bloques de carbón que realizan presión a través de unos resortes, con el objetivo de establecer el contacto eléctrico. Estos bloques son las escobillas.
  • Un eje – Es un elemento encargado de guiar el movimiento de rotación de una pieza o de un conjunto de ellas, como en una rueda o engranaje.
  • Un campo magnético – Hace referencia a la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos.
  • Una corriente de energía directa – Es la corriente continua, un flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre los dos polos opuestos de un aparato. Se produce sobretodo en las baterías, las pilas y las dinamos.
  • Una corriente alterna – Es producida por los alternadores y se genera en las centrales eléctricas, por lo que en un hogar donde se puede encontrar es en los enchufes. Su principal característica es que cambia el sentido de la circulación a razón de 50 veces por segundo (una frecuencia de 50 herzios).

 

Como os comentaba al principio del artículo, el par máximo se produce a partir del primer momento, pues el paso de corriente es continuo y uniforme. Al pisar el acelerador, se activan una serie de resistencias o potenciómetros que transmiten la señal al controlador para que este sepa cuanta energía debe mandar al motor. Aquí hemos de tener en cuenta que dicho controlador puede enviar numerosos niveles de potencia con los que el conductor podrá ir regulando la velocidad según le pise más o menos, pero a mayor velocidad, mayor gasto de batería y viceversa.

Una vez se envía esa potencia al motor, el paso de la corriente eléctrica por los arrollamientos crea un campo magnético que gira en el estator, es decir, el elemento conductor que este tiene en su interior tiende a moverse cuando recibe la corriente eléctrica al crearse un campo magnético. Luego, dicho campo magnético que gira en el estator arrastra al campo magnético fijo del rotor y le hace girar, siendo el movimiento del rotor el que permite que la energía mueva las ruedas de nuestro vehículo.

recuperación de batería motor eléctrico

Es preciso señalar que las rotaciones dentro del campo magnético interno causan una fuerza electromotriz que se opone a la tensión de alimentación. Por consiguiente, la fuerza neta global que se aplica a las ruedas es la diferencia entre la tensión de alimentación y dicha fuerza electromotriz -siendo esta última proporcional a la velocidad-, con lo que cuanto mayor es la velocidad, menor es la fuerza total neta. Esto explica por qué la curva de par comienza a disminuir en los gráficos: los motores eléctricos del coche están trabajando en los rangos superiores de sus límites de rendimiento.

Por consiguiente, cuando la velocidad es mínima -o desde parado-, hay poca fuerza electromotriz, equiparándose la tensión de alimentación al par de salida. Si levantamos el pie del acelerador, la máxima tensión se aplica, por tanto, de repente el par máximo está disponible de forma inmediata. Es por ello que modelos híbridos de alto rendimiento como el Porsche 918 Spyder son tan eficaces, porque cuentan con todo el par eléctrico desde parado y mantienen la aceleración con el motor de combustión.

Los elementos más característicos de los vehículos eléctricos son:

  • La entrada de carga estándar y/o la entrada de carga rápida
  • El cargador embarcado: Transforma la energía eléctrica de un punto de recarga de corriente alterna (convencional) en corriente continua, que es la que necesita la batería.
  • La batería
  • El convertidor: Transforma la energía eléctrica de corriente continua a corriente alterna y viceversa. Además, controla el motor en función de lo que el conductor demanda.
  • El motor

Ejemplo: Las curvas de par

Los gráficos de potencia, par y revoluciones definen las relaciones entre estos parámetros para cada motor, y como ya os he adelantado, los motores eléctricos presentan ventajas importantes frente a los térmicos es este área. Para mostrároslo he elegido el Nissan Leaf y el Nissan Qashqai 1.5 dCi, dos modelos de características similares.

Curva de par y potencia

En el gráfico superior podéis ver en morado suave la curva de par motor. Se trata de una curva normal y corriente de un vehículo de combustión diésel, donde el par máximo lo obtiene a unas 2.300 revoluciones por minuto.

En la gráfica inferior podéis ver los datos del Nissan Leaf. Como se puede apreciar, en la gráfica de la izquierda el par motor es siempre máximo desde las mínimas revoluciones y empieza a disminuir alrededor de las 3.000 revoluciones por minuto. Por otra parte y, según su hoja oficial de características, el consumo del Nissan Leaf es de 17,3 kWh/100 km. El Nissan Qashqai, según sus características es de 5 litros de diésel cada 100 km, lo que convertido a KWh se traduce en 52,6 kWh/100 km. Es decir, tres veces más.

Motor eléctrico vs motor gasolina/diésel

Por último y como ejemplo gráfico, en este vídeo podéis ver una comparativa de aceleración entre el Lamborghini Huracan y el Tesla Model S P100D ¡Disfrutadlo!

Fuentes: forococheseléctricos, CarThrottle, Pistonudos, CómoFuncionaQué, Repsol, recargacocheseléctricos.com

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