Consumo de combustible / Aerodinámica (Ing. Garibaldi)

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COCOGNC
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Consumo de combustible / Aerodinámica (Ing. Garibaldi)

Mensaje por COCOGNC »

EL CONSUMO DE COMBUSTIBLE, EL FACTOR AERODINÁMICO Y OTRAS YERBAS.
©2003 Ing. ALBERTO GARIBALDI - AUTOTECNICA.

...."El factor de mayor importancia y peso en el consumo de combustible es la ineficiencia térmica del tipo de motores que usamos, debida fundamentalmente al ciclo que cumplen. Allí debemos buscar el principal factor, y no en otra parte. La-mentablemente, un motor de pistones y encendido por chispa, de relación de compresión 9:1, todo perfecto y sin ningún rozamiento interno, usando aire ideal, de ese que no se consigue en ninguna parte y solo existe en los libros, no podría superar un 58,5% de rendimiento. Dicho en otros términos, por bien que haga las cosas, y aún recurriendo a los más hábiles contadores del mundo, no me salva nadie de tener que pagar un impuesto del 41,5% a la ineficiencia teórica. Allí nomás y de entrada estoy perdiendo casi medio litro por cada litro que use, y no existe forma práctica ni teórica de poder evitar este hecho. Seguramente usted se preguntará si todos los ingenieros somos tarados que aceptamos alegremente este hecho. La respuesta es que no, yo por lo menos no lo acepto. Pero mientras no entendamos que existen muchas otras fuentes de energía y formas de motorización mas eficientes, que no siempre dependen de andar quemando cosas, nada cambiará. Alguna vez expresé que sin ninguna duda las generaciones futuras nos juzgarán muy severamente por hacer lo que estuvimos y estamos haciendo con los recursos naturales y el medio ambiente.
El segundo enemigo, contra el cual si podemos combatir, es el rozamiento en sus diversas formas. Las piezas del motor, si bien lo hacen a través del lubricante, están friccionando entre sí, consumiendo energía, calentando el lubricante. Mayor rozamiento interno, mas energía perdida. Las ruedas trabajan contra el piso, se deforman y también se calientan, también se calientan la caja de velocidades, el diferencial y los rodamientos. El vehículo debe avanzar ocupando un volumen en la masa de aire que lo rodea, y para hacerlo debe desplazar o “apartar” aire a su paso. Ello también implica un trabajo, el de desplazar el aire, y el de vencer la resistencia o viscosidad que este le presenta para deslizarse. Ese trabajo no es para nada despreciable, y crece muy rápidamente en función de la velocidad. También es importante el peso del vehículo fundamentalmente en las aceleraciones, más pesa el vehículo, más energía debemos entregarle para lograr una misma aceleración. Y finalmente existe un factor que gravita enormemente en el consumo: el factor humano. Es de fundamental importancia los hábitos de manejo del conductor del vehículo. Cualquier excelente desarrollo puede ser frustrado por un “nervioso” al volante, o por aquellos pacíficos extremos que creen que la caja de cambios es para transacciones en moneda extranjera, y no un componente básico del automóvil.
Vamos por partes. Si consideramos cual es el rendimiento real promedio de un motor naftero, en condiciones normales de funcionamiento, veremos que es una auténtica basura, que alcanza apenas un 25%. Hágase a la idea entonces de que por cada litro de combustible que usted paga, las tres cuartas partes se usan para calentar el universo, y solo un cuarto para mover su auto. Averigüe y verá que no le miento. El mejor rendimiento que cabe esperar de un motor de estos, y en un punto especifico, es del orden del 35%, para el uso normal difícilmente supere el citado 25%. Este factor hace que el combustible sea porcentualmente quién mas pesa en el costo operativo de un vehículo en uso normal (54% aproximada-mente). Digo en uso normal, porque por allí usted se topa con un bachecito de esos que todos conocemos, o con un “lomo de burro” tipo cuchilla, con los que algunos graciosos tratan mas bien de asesinarnos, antes de que reduzcamos la velocidad. En realidad es mucho mas sencillo permitir que la calle se transforme en una carrera de obstáculos, antes que esforzarse en educar a los conductores y sancionarlos efectivamente cuando infringen las normas de tránsito. Los mecáni-cos, fabricantes de neumáticos y de amortiguadores agradecidos.
Me aparté del asunto y me embalé, le pido disculpas.
Volviendo al tema, decíamos que en condiciones normales el mayor costo operativo lo lleva el combustible. Mediante un manejo prolijo y tomando algunas precauciones se puede mejorar el consumo. Tomemos por ejemplo la velocidad por ejemplo: si se disminuye la velocidad de circulación de 130 a 110 kph es posible mejorar el consumo en un 15%, o dicho en otros términos su gasto en combustible se reducirá en el 15%. Entiendo que estas reducciones de velocidad tienen valor relativo, porque si usted intenta reducir su consumo en un 40% circulando a 60 kph en la recta Choele-Choele/Río Colorado es muy probable que no llegue, porque se mató al quedarse dormido, o porque su acompañante lo liquidó de puro aburrido nomás. Pero si le ocurre lo que hablábamos al principio de este artículo, sepa que reduciendo la velocidad a 60 o 70 kph es probable que llegue a la próxima estación de servicio.
La pregunta que cabe formular es: ¿Porque la velocidad afecta tan gravemente el consumo?. La respuesta es relativamente simple y seguramente usted ya ha realizado experiencias físicas al respecto. Saque la mano por la ventanilla a 60 kph y sentirá una brisa fuerte, repita el experimento (con mucho cuidado) a 120 kph y sentirá una severa presión en su mano, no lo intente a 180 kph porque probablemente tenga que ir a un traumatólogo a que le reconstruya la muñeca. También a 60 kph ponga la mano primero con la palma hacia abajo y luego con la palma hacia adelante, y notará una importante diferencia en la fuerza que debe hacer para mantenerla.
De esta experiencia vemos que la velocidad tiene una tremenda importancia en la resistencia que ofrece el aire, y que la sección frontal que le presentamos también lo tiene. La mano de canto ofrece mucho menos resistencia que con la palma hacia adelante. Un vehículo se comporta de manera similar, con la diferencia que presenta un área mucho mayor al aire mientras avanza y como consecuencia enfrentará fuerzas mayores también para avanzar. Si calculamos la potencia que requiere un automóvil normal para circular a 60 kph veremos que es del orden de los 4CV, mientras que necesita 14 veces más (56 CV) para avanzar a 130 kph, y no un poco mas del doble, como algún atrevido se podría animar a predecir.
La expresión que permite calcular la potencia que necesita un vehículo para vencer al aire es la siguiente:
CV Requeridos = K x D x A x E x V3
donde:
“K” es una constante que depende del sistema de unidades que usemos.
“D” es coeficiente de resistencia al avance que depende de cuán aerodinámico es el vehículo en cuestión. Cuanto mas se adapte la forma del vehículo a la circulación en la masa de aire, menor será este valor y el vehículo resultará más económico.
“A” es el área frontal del vehículo, o la superficie que presenta en un plano o “foto” visto de frente. Una razonablemente buena aproximación a este es la de considerar el 80% del valor que surge de multiplicar el ancho por el alto del vehículo. A menor área frontal menor consumo.
“E” representa la densidad del aire a través del cual se desplaza su auto. Debemos recordar que la densidad del aire disminuye con la altura (aprox. el 1% cada 100 mts) y la temperatura (aprox. el 1% cada 5.5 ºC).
“V” representa la velocidad a través de la cual usted se está desplazando dentro de la masa de aire. Si lo efectúa en aire quieto será la velocidad relativa del vehículo con respecto al piso, pero si se encuentra con un viento de frente, la velocidad de este se sumará a la velocidad del vehículo. Por ejemplo si usted enfrenta un viento de 40 kph y su velocímetro indica 80 kph, en realidad usted esta enfrentando la masa de aire a 120 kph y la potencia que requerirá para avanzar dependerá de los 120 y no de los 80 kph. Si en cambio el viento fuera de cola, usted enfrentará una masa de aire a 40 kph, y agárrese, porque si acelera a fondo se va a asustar.
Note que la potencia depende de la velocidad a la tercera potencia, es decir de la velocidad, por la velocidad, por la velocidad. Ello explica en parte el brutal crecimiento que experimenta la potencia cuando se pretende avanzar rápido.

Que quede claro entonces el mayor enemigo de la aceleración es el peso, y de la velocidad la resistencia que le opone el vehículo al aire. A mayor peso, mayor energía será requerida para acelerar un vehículo y también para frenarlo. Exigirle a un vehículo que acelere es también pedirle que aumente el consumo de combustible. Una forma de contrarrestar el consumo en los momentos de aceleración es hacer al vehículo mas liviano, y es por ello que en general los automotores han sido sometidos a dieta. Esa reducción de peso no los hizo mas débiles como muchos suponen. Por el contrario, mediante una adecuada redistribución de materiales se han logrado estructuras mas livianas y resistentes, que en caso de impacto se rompen en forma programada, tratando de preservar la integridad de los ocupantes del vehículo. Sintetizando: mas livianos, mas seguros y que consumen menos.
¿Que pasa con el factor aerodinámico y como ha afectado la forma de los automóviles? Con respecto a la resistencia que ofrece el aire a un móvil que se desplaza en él, los automotores también han sufrido en los últimos diez años una evolución que estaba reservada exclusivamente a la aeronáutica o a los vehículos de competición. La forma de un automóvil de hace dos o tres décadas comparada con la de uno actual, lo hace ver como una auténtica diligencia. Dejemos por un momento de lado los gustos personales, porque también en pro de la aerodinámica, de las formas revolucionarias y del aprovechamiento integral del espacio, algunas marcas de primera línea han sacado a la venta vehículos de dudoso gusto estético, por lo menos desde mi modesto punto de vista. Algunos se parecen mas a una versión oriental abstracta, creada por Flash Gordon con un par de botellas de whisky encima, que a una bella y estilizada criatura mecánica. Puede ser que a la larga uno se acostumbre a verlos, pero considero que el buen gusto trasciende el tiempo y la moda. A mi me parecen sencillamente horrorosos. Otros en cambio, lucen una pureza de líneas propia de las criaturas que nacieron para deslizarse dentro de un fluido, y que mantienen una elegancia natural, propia de las líneas armónicas. Todas las formas que están en armonía con la naturaleza son bellas, basta contemplar un delfín en uno de sus saltos o un cóndor en sereno planeo. El aire forma parte de esa naturaleza, y una máquina capaz de moverse dentro de él en armonía debe tener también pureza de formas. Pero pureza real, y no forma de plástico derretido. Un temible jet de caza o el avión que deberé abordar dentro de un rato son un buen ejemplo de adaptación de una máquina al medio en que debe moverse. Un automóvil no debe ser la excepción, modas o estilistas de por medio.
El aire afecta a un automóvil en movimiento de distintas formas. Le adjunto un gráfico donde hay una aproximación de como pesan las distintas resistencia que el ofrece a un vehículo terrestre que se desplaza en una ruta.

La resistencia de “forma” (55%) resulta de la forma básica del vehículo, y es el factor de mayor peso en este aspecto.
La resistencia de “interferencia” (17%) es debida a los disturbios que se producen en el aire cuando pasa por los obstáculos que se encuentran próximos a la superficie del vehículo. Los espejos laterales, las manijas de las puertas, los elementos de la suspensión, las partes que sobresalen del motor, el sistema de escape, antenas, burletes, goteras, etc., y es la segunda fuente en orden de importancia.
La resistencia por “flujo interno” (12%) es principalmente debida al pasaje del aire a través del radiador y por el compartimento del motor. Cuentan aquí también los conductos de calefacción y de ventilación, así como también cualquier canalización de aire para los fines que sea.
La resistencia de “superficie” (9%) es el resultado de la fricción del aire que entra en contacto con la superficie del vehículo y dicha superficie. Cuanto mayor sea el área de la superficie del vehículo expuesta a la corriente de aire, mas importancia tendrá este factor.
La resistencia debida al “lift” (7%) es una función de la forma del vehículo y resultante de los cambios de presión originados por la vena de aire que ejercen una fuerza en sentido opuesto al peso o “lift” que actuando en la parte trasera y delantera del vehículo, tendiente a “levantarlo”.
El factor de resistencia aerodinámica de un automóvil es una medida de cuán fácil le resulta desplazarse a través del aire. Cuanto más bajo sea ese factor, mas eficiente será el vehículo en ese aspecto, y consecuentemente menos combustible va a consumir en vencer al aire. Un factor de .317 indica que la resistencia del vehículo para avanzar desplazando el aire es del 31.7% de la que correspondería a una caja rectangular de similares dimensiones externas.
La razón fundamental por la cual los fabricantes de automóviles han invertido en desarrollar las formas de sus vehículos se debe a que dentro de ciertos límites, por esta vía se logran reducciones espectaculares en consumo de combustible, y se obtienen a menor costo modificando las formas exteriores que mejorando los motores. Aproximadamente, por cada 10% que se mejora la resistencia al avance, se mejora un 2% el consumo. Un vehículo de .420 (a los que nos tenían acostumbrados en los años 80) es un 30% peor en ese aspecto que uno de .320 (valor que actualmente no asombra a nadie), y si consideramos la regla mencionada han mejorado el orden del 6% nada mas que por mejorar su forma. Los actuales automóviles incorporan ambas mejoras, de forma y de motor, aunque debemos reconocer que para el mejoramiento de los motores han tenido tanto peso los problemas de contaminación ambiental como los de consumo.
El asunto es que al moverse en la masa de aire, el automóvil genera desplazamientos de dicha masa, con cambios de velocidad y las correspondientes variaciones de presión asociadas. Estos cambios de presión no son gratis, consumen energía que se gasta en desplazar y revolver el aire, creando la resistencia aero-dinámica o como algunos la llaman “ resistencia al viento “. Mas aire revolvemos, mas potencia gastamos para que avance nuestro vehículo.
Existe, además, un factor importante a tener en cuenta en esto de estar batiendo el aire, y es el ruido. Fíjese que cuanto mas compatible es el vehículos con la masa atmosférica, mas silencioso se torna, y esto es otra demostración mas de la armonía que debemos guardar con el medio. Menos lo agredimos y menos protesta (esta no será una explicación muy ingenieríl, pero se me ocurre que suena a poética)
Finalmente, y para terminar con los vientos (¿..?) hablemos también de los vien-tos laterales. En el diseño de un vehículo las corrientes de aire transversales de-ben ser seriamente tomadas en cuenta, ya que generan fuerzas que pueden ser muy importantes y afectar severamente la actitud de manejo, sobre todo en el caso de ráfagas fuertes. Mas de un desafortunado conductor(ra) se ha puesto de gorra su camioneta en nuestro Sur Argentino ante la presencia de un súbito golpe de viento, muy común por esos pagos.
Si usted presta atención al detalle verá que muchos vehículos han sido estiliza-dos pensando solamente en el avance longitudinal, porque vistos de costado son una auténtica pared. Quienes están en la náutica y la aeronáutica saben muy bien de la importancia de los vientos cruzados.
El tema es apasionante, pero su capacidad de aguantarme tiene un límite, y la mía de escribir también.
Le mando un abrazo.
©2003 Ing. ALBERTO GARIBALDI - AUTOTECNICA.
Daniel
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Chuluka
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Re: Consumo de combustible / Aerodinámica (Ing. Garibaldi)

Mensaje por Chuluka »

Un tema muy interesante, gracias por compartirlo Dany!
Orgulloso de pertenecer!
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freda
El señor de las 8 Ecos
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Re: Consumo de combustible / Aerodinámica (Ing. Garibaldi)

Mensaje por freda »

:text-goodpost:

saludos
El señor de las-- 10 -- Ecos --Y las 7 décadas !!!-- socio Nº 75.



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