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La mejora de la eficiencia (parte 1) aerodinámica, neumáticos, fricción, climatización y peso

La mejora de la eficiencia (parte 1) aerodinámica, neumáticos, fricción, climatización y peso
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El consumo de combustible se ha convertido en una obsesión para los fabricantes de automóviles. La presión legislativa de las grandes naciones desarrolladas y el alza del barril de petróleo está acelerando la evolución técnica a un ritmo nunca visto antes.

Las técnicas y métodos que se están utilizando son muy diversos, así que os los vamos a explicar de forma sencilla y amena. A lo largo de varias entregas veremos cómo se las apañan para reducir los consumos de los coches, sin que eso suponga un menoscabo de la seguridad, las prestaciones o el confort.

En la entrega de hoy vamos a ver los siguientes aspectos: mejora de aerodinámica, resistencia a la rodadura, fricciones internas, climatización inteligente y ahorro de peso. Próximamente veremos más temas, sentíos libres de proponer o de plantear cualquier pregunta.

Volkswagen XL1
El Volkswagen XL1 es el modelo más aerodinámico que estará a la venta

Las mejoras aerodinámicas

Dado que todos los vehículos terrestres tienen que atravesar una serie de gases que llamamos comunmente "aire", es imprescindible trabajar en este campo. En el caso de las naves espaciales no es relevante si no tienen previsto aterrizar, ya que trabajan sin atmósfera.

El aire, en principio incoloro e inodoro, nos rodea a cada instante. Cuando movemos un cuerpo provocamos una fuerza de rozamiento contra el aire, ya que el cuerpo ha de apartar las moléculas de aire y desplazarlas para poder atravesarlo. Físicamente el aire es similar al agua, salvando las distancias de estado, densidad, etc.

En los inicios de la automoción, las velocidades eran muy reducidas, así que la aerodinámica era un aspecto baladí. Bien entrados los años 20 y después en los 30, empiezan a desaparecer las superficies planas contra el aire, para ir suavizando los rasgos y lograr carrocerías que atraviesen el aire con menor esfuerzo mecánico.

Túnel de viento Mercedes
Túnel de viento de Mercedes en los años 80

Cuando se superan los 90-110 km/h las diferencias en consumo de combustible comienzan a aflorar rápidamente en función de la aerodinámica. Hay varias formas de reducir este rozamiento, como tener superficies lisas, carenar los bajos, reducir altura libre, diseñar los coches dentro del túnel de viento, etc.

De hecho, para que valoremos la importancia de este factor, solo hay que ver las potencias que son necesarias para superar 100 km/h, 200 km/h, 300 km/h y 400 km/h. El "Volkswagen XL1":https://www.motorpasionfuturo.com/coches-hibridos/volkswagen-xl1, uno de los coches más eficientes en este sentido, puede mantener 100 km/h con solo 8,4 CV de potencia. Un Prius puede hacer lo mismo si va pegado a un camión.

Los diseños más aerodinámicos no siempre son muy agraciados estéticamente, por ejemplo el kammback que tantos híbridos usan es muy criticado. Hay excepciones, como el "Mercedes-Benz Clase E Coupé":https://www.motorpasion.com/mercedes/mercedes-benz-clase-e-coupe, un Cx de 0,24 con unas formas mucho más aceptables para el consumidor común. Los fabricantes tienden a balancear diseño y eficacia aerodinámica.

Neumáticos

La resistencia a la rodadura

Los coches, por mucho que evolucionen, siguen pisando el suelo con neumáticos. Mucho ha evolucionado la técnica para reducir las pérdidas inherentes a este tipo de rueda. Prácticamente uno de cada cinco depósitos de un turismo se lo "beben" los neumáticos, porque son una fuente de pérdida de energía. En los camiones es uno de cada tres.

El neumático se deforma constantemente contra el firme, que no es idealmente liso, sino lleno de imperfecciones a nivel incluso molecular. Estas deformaciones producen calor. Pero no solo el propio rozamiento contra el suelo pierde energía, también la deformación de la propia estructura interna del neumático.

Los fabricantes de neumáticos buscan siempre el balance entre la adherencia y adhesión del neumático y su eficiencia energética. Se están convirtiendo en equipamiento de serie los neumáticos de baja resistencia a la rodadura ya que pueden no comprometer el agarre de forma que el usuario lo note.

Pérdida de energía en neumáticos
Pérdidas de energía del neumático

Por otro lado, también tiene importancia la cantidad de neumático que toca el suelo, directamente relacionada con el rozamiento, pero también con la potencia que hay que trasladar al asfalto. No podemos imaginarnos un Lamborghini moderno con ruedas de 14 pulgadas, sería inconducible. La tendencia es a reducir anchos de neumático, sobre todo en eléctricos.

También se puede luchar contra el rozamiento si el neumático está correctamente inflado, de ahí la invención de los sensores de presión (TPMS). Por física elemental, cada vez es más difícil reducir el consumo de las ruedas, pero los avances permiten que el sacrificio en otras variables, como durabilidad, o agarre sean menores.

El secreto para conseguir este balance está en reducir las pérdidas internas del neumático, y que la banda de rodadura solo se caliente cuando sea necesario (y muy deprisa), como en una frenada de emergencia. El etiquetado europeo de neumáticos facilita al consumidor entender estos dos conceptos.

Pérdidas de energía

Las fricciones internas

Todos los motores constan de un gran número de piezas móviles que sufren rozamientos. También hay que añadir los rozamientos de la propia transmisión y el cambio de marchas. En cada etapa, se pierde más energía del combustible. Si no fuese por el aceite, no solo los motores durarían muy poco, también los consumos serían brutales.

Para que las piezas metálicas puedan moverse entre ellas sin salir ardiendo (nos lleva al gripado) están bañadas en una película de aceite. La gran mayoría del consumo de los motores está relacionada con las pérdidas internas, razón de más para luchar directamente en este campo.

Por ejemplo, solo con pasar del árbol de levas con varillas al doble árbol de levas en cabeza (DOHC) se redujeron bastante las pérdidas. Reducir la cilindrada del motor también influye, simplemente por haber piezas más pequeñas en movimiento, más ligeras y con menos superficie de rozamiento.

Vídeo | "Youtube":https://www.youtube.com/watch?v=tDk6nU0PbxY

Los grupos auxiliares del motor también "beben" combustible. Progresivamente se van eliminando o sustituyendo por otros más eficaces. La dirección asistida hidráulica está dejando paso a la asistencia eléctrica, que solo consume combustible cuando se usa, y no constantemente. Las bombas de agua también funcionan bajo demanda en algunos modelos.

Algunos fabricantes están incorporando bombas de aceite de desplazamiento variable, que trabajan en función de las necesidades reales del motor. Por la misma lógica el compresor de aire acondicionado se desacopla cuando no se usa, y el alternador se suelta en fase de aceleración en la mayoría de los motores nuevos.

Una de las ventajas de los coches híbridos y eléctricos es que carecen de varios de estos componentes o funcionan bajo estricta demanda. Hay límites insuperables en cuanto a consumos internos, pero desde luego se está avanzando mucho en esta materia. En los motores eléctricos, por ejemplo, no hay aceite.

Renault ZOE
En un eléctrico como el Renault ZOE, la eficiencia es fundamental

Climatización inteligente

Hasta que llegó el aire acondicionado, la única forma de reducir la temperatura del habitáculo fue con la ventilación forzada del exterior. El calor de la calefacción sale del que al motor le sobra. Bueno, eso es así en los motores convencionales, pero por ejemplo en los eléctricos, el calor hay que generarlo.

Ni las baterías ni el motor eléctrico pueden caldear lo suficiente por sí mismos. La solución más sencilla es usar resistencias eléctricas (como los braseros), pero consumen mucha energía. Es más eficiente el uso de la bomba de calor, que es, en palabras llanas, el aire acondicionado funcionando al revés.

Si circulamos con un híbrido en zona urbana y queremos calefacción, lo más fácil es que el motor térmico funcione menos tiempo apagado para poder generarlo, es más económico que instalar sistemas supletorios. Lógicamente el consumo aumentará, pero el confort es más importante.

Climatizador automático Lexus
Climatizador automático trizona de Lexus

Para que sea necesario menos calor, tenemos desde las láminas solares (tintado de lunas) hasta la reducción de superficie acristalada. El objetivo es necesitar menos refrigeración en verano y que en invierno el calor se retenga más tiempo en el habitáculo.

También vamos a encontra soluciones más optimizadas, como no climatizar las plazas traseras si no se detecta que hay ocupantes sentados. Es posible mejorar el rendimiento de la calefacción usando los asientos calefactados, incluso ahorrando energía. Esta solución podemos verla en el Chevrolet Volt.

Los climatizadores automáticos pueden usar la recirculación de aire en el habitáculo para reducir el consumo de combustible asociado. En algunos modelos híbridos o eléctricos el climatizador consume menos energía en el modo de máximo ahorro, aunque el confort térmico no será el mismo en situaciones difíciles, como circular en Sevilla en pleno agosto.

Opel Ampera
Opel Ampera

Ahorro de peso

Últimamente los coches no han hecho más que engordar, y eso ha sido por las mejoras en el equipamiento, la mayor rigidez de la carrocería y el avance en seguridad pasiva. La parte negativa de todo esto es que a mayor peso, más energía es necesaria para mover el vehículo.

Si no se quiere retroceder y volver a las épocas pasadas, la reducción de peso no tiene que comportar inconvenientes. Si cambiamos el acero por aluminio, sí, pesará menos, pero se encarecerá el coste. Abusando de la fibra de carbono, mejor resultado, pero el precio se dispara.

Nuevamente hay que encontrar un balance. Vuelvo al ejemplo del XL1, utiliza materiales ligeros (y caros) y su equipamiento es más reducido de lo normal. Una forma trivial de reducir peso es tener menos aislamiento. Si no queremos perder confort, habrá que eliminar la necesidad de dicho aislamiento.

Chasis Ferrari en fibra de carbono
Chasis Ferrari en fibra de carbono

Poco a poco, empezamos a ver la tendencia inversa, modelos que son más ligeros que los que reemplazan, pero sin ir hacia atrás en seguridad, confort o equipamiento. Reducir el peso del motor es sencillo por la mera reducción de la cilindrada, o utilizando aleaciones más avanzadas que pesen menos pero sean robustas igualmente.

Los kilos han acomplejado, de siempre, a los coches de competición o los que más han buscado las prestaciones más alucinantes. Por el lado contrario, el peso no ha sido una preocupación cuando el confort debe ser máximo (coches de lujo), o cuando la rigidez lo es todo (todoterreno).

Hablando de todoterreno, del chasis en escalera se está migrando al chasis monocasco, debidamente reforzado puede lograr un efecto similar. En turismos es difícil encontrar modelos con chasis en escalera. La gran complejidad del ahorro de peso es cómo conseguirlo conteniendo los costes y sin ir hacia atrás.

¿A que ahora muchas cosas cobran sentido?

En Motorpasión Futuro | La mejora de la eficiencia ("parte 2":https://www.motorpasionfuturo.com/mecanica-eficiente/la-mejora-de-la-eficiencia-parte-2, "parte 3":https://www.motorpasionfuturo.com/mecanica-eficiente/la-mejora-de-la-eficiencia-parte-3)

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