Cómo medir la eficiencia energética de tu propio coche

Pere Roura (Universitat de Girona) y Daniel Oliu nos cuentan en “How energy efficient is your car?,” AJP 80: 588-593, July 2012, cómo medir de forma práctica la eficiencia energética de tu propio coche. Como ejemplo utilizan su Volkswagen Lupo 3L, un coche diseñado para ser muy eficiente con un motor diésel de tres cilindros, un peso de 830 kg y un consumo récord de solo 3 litros a los 100 km. Según su estudio solo el 28% de la energía del combustible se transfiere a las ruedas, lo que sin lugar a dudas es todo un récord en eficiencia para un vehículo comercial. Sin embargo, también nos recuerda que el 72% de la energía del combustible se pierde por aerodinámica, fricción, pérdidas mecánicas y térmicas. En los vehículos de gasolina, la eficiencia suele ser mucho menor. Para un vehículo típico se estima que solo el 12-13% de la energía del combustible se transmite a las ruedas, según el estudio de Joseph A. Carpenter, Jr. (Department of Energy, USA) et al., “Road Transportation Vehicles,” MRS Bull. 33: 439–444, 2008 [copia gratis], del que he extraído la figura de abajo.

 

Roura y Oliu nos proponen experimentos sencillos que los estudiantes de grado en ingeniería industrial, mecánica y otras titulaciones similares pueden ejecutar solo con conocimiento básicos de mecánica (resistencia del aire y a la rodadura) y termodinámica (ciclos térmicos). No traduciré todo su artículo, solo presentaré un breve resumen con las figuras clave, para que veáis cómo se realizan los experimentos y cómo se obtienen los resultados. Animo a los interesados en más detalles que consulten el artículo en la revista (American Journal of Physics), si tienen acceso, o que le pidan por correo electrónico una copia a Pepe Roura (que seguro que estará encantado por el interés despertado por su artículo).

Lo primero, calibrar el indicador de consumo de combustible del propio coche, comparando el consumo real (en litros por cada 100 km) y la lectura del sensor en una distancia grande, por ejemplo, 850 km. En el caso del Volkswagen Lupo 3L, la pantalla subestima el consumo real por un factor de 0,93.

El primer experimento tiene por objeto medir la eficiencia térmica del motor, comparando el consumo de combustible del coche a velocidad constante en varios tramos de carretera, tanto de pendiente ascendente como descendente. La diferencia entre el consumo de combustible por unidad de distancia cuando se va pendiente arriba (cu) y cuando se va pendiente abajo (cd) es igual a cu − cd = 2 m g h /(η QF d), donde m g h es el cambio en energía potencial del coche y el pasajero, d es la longitud de carretera recorrida, QF es la densidad de energía del combustible (3,56 × 107 Julios por litro para el diésel) y η es la eficiencia térmica del motor.

Este figura muestra el resultado obtenido para el consumo medio y para la eficiencia térmica del motor, cuyo valor está alrededor del 40% (dentro de las incertidumbres experimentales no depende significativamente de la velocidad). Este valor es bastante razonable para un motor diésel y no se puede esperar una eficiencia del motor superior al 40% salvo en los motores de camiones pesados o cuando se usan en sistemas de generación de energía eléctrica. Por supuesto, en este valor de la eficiencia no se han tenido en cuenta las pérdidas mecánicas del motor.

Estimar la resistencia del aire (FR) y la resistencia a la rodadura (FD) se puede realizar midiendo el tiempo (Δt) necesario para incrementar la velocidad del vehículo en una cantidad fija, pongamos Δv = 10 km/h; este tiempo depende de si el vehículo va cuesta arriba Δt+ o cuesta abajo Δt-. Los autores del artículo deducen la fórmula F = FR + FD = (1/Δt+ 1/Δt-) m Δv/2; la figura de arriba muestra que F sigue una trayectoria parabólica con la velocidad F = A + B v2, donde A = 110 N, y B =  0,33 N s2/m2. Como resultado, el coeficiente de fricción de los neumáticos con el asfalto αR, donde FR = αR N, se estima en αR = 0,011, un valor bajo, ya que según otros estudios el valor normal para los neumáticos está entre 0,010 y 0,015.

El coeficiente aerodinámico αD se define a partir de la fórmula  FD = αD ρ S v2/2, donde la densidad del aire ρ = 1,22 kg/m3 (a 500 m sobre el nivel del mar), el área de la sección transversal del coche es S (unos 1,56 m2 para el coche estudiado) y su velocidad media es v. El valor calculado es αD = 0,35, que está en la banda alta de los valores típicos para un coche que están entre 0,3 y 0,35, indicando que el Volkswagen Lupo 3L no es muy aerodinámico.

El consumo de combustible a menos de 2000 rpm es mayor rodando a 80 km/h que a 50 km/h, mientras que a 2700 rpm, este orden se invierte. En esta figura se muestra el efecto en el consumo de la marcha utilizada (cuarta, tercera y segunda) a estas dos velocidades 50 kmh y 80 km/h. La línea continua corresponde al trabajo mecánico (“work”) realizado por el motor, calculado multiplicando el consumo medio de combustible (c) y la eficiencia térmica del motor (η). A 50 km/h, la figura indica que el 60% de la energía del combustible se pierde en forma de calor dentro del motor y sólo el 40% realiza trabajo mecánico (línea gruesa). A 80 km/h el consumo de combustible crece debido al incremento en la resistencia del aire (la resistencia a la rodadura casi no cambia). Por ello, en términos generales, el consumo de combustible es superior a 80 km/h que a 50 km/h. Sin embargo, este orden se invierte por encima de unas 2000 rpm debido al incremento las pérdidas por fricción en el propio motor (que crecen con las revoluciones).

La eficiencia energética global del motor (ηB), llamada en inglés “brake efficiency,” se define como el cociente entre el trabajo útil desarrollado por el motor y la energía del combustible, es decir, ηB = Wu/(QF c), donde Wu es el trabajo útil por unidad de distancia, c es el combustible que se consume a lo largo de cierta distancia y QF es la densidad de energía del combustible. Como muestra la figura de arriba, esta eficiencia energética global no es constante y mejora conforme crece la marcha utilizada. Por ello se suele recomendar conducir a una marcha alta cuando se viaja a mayor velocidad.

Resumiendo todos los resultados se obtiene la figura que abre esta entrada. En un viaje típico, de cada 100 litros de combustible (diésel), solo 40 litros se convierten en trabajo, pero gran parte de este trabajo se consume en la fricción, con lo que solo unos 28 litros se transfieren a las ruedas. Este valor es más alto que el valor típico para un motor de gasolina, que está entre 12 y 13 litros.

Lo interesante de este estudio (aproximado) no son los resultados sino el método. Sencillo y fácil de repetir, cualquiera puede ponerlo en práctica con su propio vehículo, algo especialmente recomendado a los estudiantes de ingeniería. Por supuesto, si algún valiente se atreve que nos cuente sus resultados en los comentarios.

6 pensamientos en “Cómo medir la eficiencia energética de tu propio coche

  1. Creo que mezclas “eficiencia térmica” con “eficiencia total de vehícuo”. En el primer caso es medible por la cantidad de energía (en forma de gasolina o gasóleo) que entra al motor, y la que éste entrega. En el segundo artículo que presentas habla de un 18.2% (lo digo de memoria) del motor, cuando la mayoría de las publicaciones hablan de un 30% de rendimiento de un motor de gasolina, y 45% de diesel (y más del 50% para diesel de bajas revoluciones, usados en barcos y centrales).

    Luego hay pérdidas mecánicas hasta llegar a las ruedas, que es menor al 5% (de memoria), lo que implica un 2.5% de la energía original del combustible. Así que los números no me cuadran nada. Por supuesto que hay otras pérdidas, pero no es de “eficiencia energética” del motor, sino de la cantidad de energía que se necesita para mover el vehículo. A bajas velocidades y en circuito de velocidad variable, la inercia es la mayor. A velocidades constantes (y mayores), la inercia pasa a segundo plano, y la resistencia al aire y los neumáticos alos primeros. Pero no creo que eso sea “ineficiencia energética”, más bien “infeciencia mecánica” de coches pesados.

    • Gracias por la aclaración, Gallir. He tratado de seguir la línea de razonamiento del artículo en AJP. He de confesar que no sé mucho de de máquinas y motores térmicos (los físicos no estudiamos estas cuestiones en la carrera).

    • Yo hablo de memoria también.

      Es cierto que el “rendimiento térmico” de un motor de gasolina es del 30% y 40% en un diesel (aproximados), pero eso solo te indica el % de energía que el motor convierte en trabajo mecánico por ciclo. Por eso es más correcto hablar de “eficiencia energética” de un motor, ya que el rendimiento térmico no tiene en cuenta las perdidas mecánicas generadas en el motor, ni que el motor alimenta sistemas secundarios necesarios para su funcionamiento (refrigeración, lubricación, alimentación de los sistemas eléctricos etc.).

      Es más en eso el diagrama del reparto de gasolina inicial está muy bien. Solo el 40% de la energía se convierte en trabajo y hay un 12% de pérdidas hasta las ruedas.

  2. ¿Y un cálculo estimativo más simple no sería simplemente el producto del rendimiento térmico por el rendimiento mecánico, donde éste último se puede sacar del para motor máximo?.

    Con los datos del fabricante, por ejemplo
    http://www.km77.com/precios/renault/kangoo/2008/kangoo-combi-expression-15-dci-110-cv
    tiene un par de 240 N m a 1750 rpm. Teniendo en cuenta que un diésel tiene consumo mínimo a unas 2000 rpm y que más o menos en llano a 90 km/h se puede circular con esas revoluciones.

    La energía en 1 hora sería Par x RPM x 2 x pi x 60 = 240 x 1750 x 2 x pi x 60 ~ 158 MJ
    La energía almacenada en el combustible sería 36 MJ/litro x 5 litros ~ 180 MJ

    Eficiencia mecánica ~ 158/180 ~ 0,88 y la eficiencia total sería

    Em x Et = 0,88 x 0.4 ~ 0,35

  3. Yo me he quedado frió de la impresión. Prometo, poniendo la mano en el fuego, que en mi época de facultad de Ingeniería Química y en un Ciclo Superior de Química Ambiental, ambos profesorados coincidían en un dato concreto: La combustión como método de transformación de la energía química en enérgica mecánica tiene una eficiencia matemática y máxima de un 25%. A partir de ahí comenzaban las pérdidas reales, en función de diseño del motor, pérdidas por fricción mecánica interna, perdida por fricciones en la trasmisión, pérdidas por rozamiento contra asfalto y pérdidas aerodinámicas, y otros consumos por generación de electricidad, etc etc. Recuerdo que inclusive nos plantearon la demostración matemática de la eficiencia de la combustión durante una clase, dado que era fácil de desarrollar y que no era un dato que hubiese sufrido un redondeo a efecto de seguridad en los cálculos. Leeré ambos documentos a ver si encuentro la explicación.

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