1.5.4. Carrocería (IV)

La forma de la carrocería ofrece muchas posibilidades, de las que ya hemos visto las relacionadas con su línea y función.

Otro aspecto asociado íntimamente con la forma de la carrocería es su capacidad de abrirse paso en el aire para avanzar, es la aerodinámica y el tema de este módulo.

Aerodinámica

El automóvil ha de hacerse sitio para avanzar desplazando el aire por los lados, por encima y por debajo.

La fuerza necesaria para este trabajo la desarrolla el motor, por lo que se deduce que para reducir el consumo de combustible se ha diseñar la carrocería para que pase lo más fácilmente posible a través del aire.

La oposición del aire para el avance del automóvil se incrementa con la velocidad, por lo que en automóviles para uso urbano podría tener  relativamente algo menos de importancia, dependiendo del uso pues ya a partir de 90 Km/h es la aerodinámica el factor más influyente en el consumo de combustible.

Influencia en el consumo

La energía para el desplazamiento del automóvil la produce el motor quemando aire y combustible mediante explosiones o combustiones.

En la siguiente animación, con la silueta de un Hyundai i40 que tiene la implantación de motor delantero transversal y tracción, se ve la distribución estimada del consumo entre diversos elementos, componentes y órganos del automóvil circulando a 90 km/h:

  • Los elementos internos del motor rozan entre sí al funcionar para generar  la energía y movimiento mediante explosiones o combustiones, este rozamiento es responsable del 14% del consumo de combustible.
  • No es necesario que sepas identificar los elementos resaltados en la animación dentro del motor que transforman la energía de la combustión en movimiento circular, lo explicaremos siguiendo el orden didáctico del programa en el siguiente capítulo.
  • Si ya sabes de coches identificarás al pistón, biela y cigüeñal.
  • Para producir la combustión o explosión se precisa una mezcla de aire y combustible, cuanta más cantidad de esta mezcla entre al motor más energía se obtendrá.
  • Se llama llenado del motor a la cantidad de mezcla que entra en su interior, y por su funcionamiento, como iremos viendo, este llenado es variable en función de varios aspectos.
  • La merma del llenado real con relación al teórico por causas físicas y compromisos de diseño del motor supone un 11% de responsabilidad en el consumo de combustible.
  • Como hemos explicado el llenado es una mezcla de aire y combustible para producir la combustión o explosión.
  • Para un buen rendimiento se ha de gestionar muy bien las proporciones de aire y combustible así como sus características.
  • El valor de responsabilidad en el consumo de combustible de la gestión de la combustión es del 10%.
  • Las explosiones o combustiones producen calor y llegarían a fundirse los componentes metálicos internos del motor.
  • Se evita con el sistema de refrigeración que extrae el exceso de calor del motor, pero el calor es energía.
  • Esta protección del motor más la elevada temperatura que se disipa al ambiente de otras partes también muy calientes (sistema de escape entre otras), supone unas pérdidas de calor (energía) estimadas en un 13% de consumo de combustible.
  • Una vez producida en el motor la energía hay que transmitirla a las ruedas motrices, en la animación que estamos viendo son las delanteras.
  • Se encargan de transmitir la energía del motor el embrague, la caja de cambios y el diferencial  (representados por varios engranajes) y los palieres.
  • Los rozamientos de los componentes de la transmisión son causantes del 3% de consumo de combustible.
  • Las ruedas reciben el movimiento desde la caja de cambios a través del diferencial y los palieres y son las que desplazan el automóvil al rodar sobre el piso.
  • Este rodamiento implica rozamientos por las dos superficies en contacto más la deformación de los componentes elásticos del neumático.
  • Los rozamientos de rodadura se estiman que causan un 19% del consumo de combustible.
  • Con más peso del automóvil se incrementa este rozamiento.
  • Para avanzar el automóvil ha de abrirse paso desplazando el aire, como ya hemos comentado.
  • Se denomina aerodinámica la disciplina que estudia en sus contenidos el desplazamiento de objetos en fluidos, y en el automóvil supone un 30% del consumo de combustible a 90 km/h aumentando exponencialmente con la velocidad.

Calidad de forma aerodinámica “CX

La eficacia aerodinámica del automóvil se mide mediante dos factores, uno es la forma y el otro su tamaño.

Empezamos por la forma de la carrocería con la animación que nos enseña la silueta de un Jaguar XJS:

  • La calidad de forma aerodinámica se denomina coeficiente de penetración aerodinámico y se mide por un número conocido como CX, pues es X el eje de desplazamiento longitudinal del automóvil (y es el transversal y Z el vertical).
  • Cuanto menor sea este número mejor calidad aerodinámica, menos energía se precisa para desplazar el aire al avanzar.

  • A 90 km/H ya sabemos que la aerodinámica es responsable del 30% del consumo, el CX con el otro factor que veremos a continuación.
  • A 120 km/h sube a más del 55% y por encima de 120 Km/h velocidad aumenta vertiginosamente y es la principal causa del consumo con diferencia.
  • El CX del automóvil del ejemplo es de 0,33, número adimensional.

Área maestra o superficie frontal “S”

Ya conocemos como se valora uno de los dos factores aerodinámicos, la calidad de la forma mediante el CX, ahora vemos el segundo factor que está relacionado con el tamaño.

De hecho es esto, la superficie frontal del automóvil medida en metros cuadrados (m2), cuanto mayor sea el tamaño frontal del automóvil más aire ha de desplazar para avanzar y más energía del motor necesitará.

Se denomina a este factor Área maestra o Superficie frontal y se representa por “S”.

Vemos esta explicación con la silueta frontal del Jaguar XJS que hemos utilizado para el CX:

  • El Área maestra o Superficie frontal “S” comprende todo el automóvil, incluidas las ruedas,  los retrovisores y demás elementos salientes visto de frente.
  • En el automóvil que vemos el valor de “S” es de 1,8 m2.
  • La eficacia aerodinámica de un automóvil se obtiene multiplicando el CX por S y en este caso el resultado es 0,59.
  • Es el valor de esta operación el que se ha de utilizar para comparar la eficacia aerodinámica entre automóviles.

La comparación aerodinámica para que sea objetiva ha de contemplar a automóviles de similares tamaños, con área frontal de valores parecidos, y así será el CX el factor determinante.

Si se reduce demasiado el área frontal se resiente la habitabilidad y se puede producir el efecto claustrofobia por la excesiva proximidad del techo y montante superior del parabrisas, lo que afecta a la seguridad activa primaria del conductor.

Para reforzar los conceptos aerodinámicos de Cx y S vamos a ver la siguiente comparativa, con las imágenes de un Renault Laguna Coupé y un Renault Koleos (todocamino), ambos con el mismo motor turbodiésel de 150 CV de 2,0 litros:

  • El coupé tiene un CX de 0,307 y la S es 2,15 m2, lo que da un producto de 0,66. El CX del todocamino es 0,387 y la S es 2,6 m2 dando el producto 1,01.
  • Los consumo de estos homologados de estos automóviles son estos:
    • Coupé; 4,6 l/100 km y122 gramos/km de CO2.
    • Todocamino; 6,0 l/100 km y157 gramos/km de CO2.
  • La diferencia de consumo por la aerodinámica  irá aumentando con la velocidad.
  • Además de la eficacia aerodinámica hay otras causas de los distintos consumos:
    • El coupé pesa 1.582 kg y el todocamino 1.724 kg, lo que aumenta el rozamiento de rodadura y las inercias al iniciar la marcha y acelerar.
    • A velocidad mantenida en llano no es tan influyente.
    • Para poder mover más peso y por la peor aerodinámica el todocamino multiplica en su caja de cambios más la energía (par) generado por el motor, lo que hace que a 120 km/h el motor del coupé gire a 2.298 RPM y el del todocamino a 2.510, a más RPM más consumo.
    • Si no entiendes bien estos comentarios ten paciencia, ya verás cómo según va avanzando el curso todo se va colocando y aclarando.

Para terminar este módulo vamos a hacer un resumen con esta animación:

  • Distribución de la responsabilidad del consumo de combustible (en cursiva los elementos que aún no hemos explicado y se irán viendo en el curso):
    • 3% por pérdidas de transmisión, caja de cambios, diferencial (ambos con sus engranajes) y elementos relacionados.
    • 10% por gestión de la combustión; principalmente la alimentación (se ve un inyector) y el encendido (se ve una bujía necesaria en motores de gasolina).
    • 11% llenado de aire y combustible; la masa de aire y combustible que entra al motor, se representa en la animación con una “jeringuilla” que mete la mezcla en el motor a presión (es el concepto de la sobrealimentación).
    • 13% pérdidas de calor; hay que refrigerar el motor para proteger sus componentes (se ve el radiador con los manguitos de calor y frío y el ventilador funcionando).
    • 14% rozamientos internos del motor; los elementos encargados de transformar la energía de la explosión (gasolina) o combustión (diésel) en movimiento circular están sometidos a grandes esfuerzos que implican fricciones entre estos, (vemos pistones, bielas y cigüeñal y otros más, aunque están lubricados con aceite para evitar prematuros desgastes las fuerzas de rozamiento son elevadas).
    • 19% rozamientos por rodadura; el giro de los neumáticos sobre el piso supone una fricción a la que se suma la deformación de sus componentes internos que genera rozamientos, aumenta con el peso. (Los neumáticos de bajo rozamiento interno contienen sílice que reduce las fricciones internas sin afectar a la adherencia con el suelo).
    • 30% aerodinámica; la calidad de forma aerodinámica, CX, está ya bastante lograda en los automóviles de “calle”, se puede mejorar carenando los bajos de la carrocería y todos los huecos y también reduciendo los salientes. Con neumáticos más anchos empeora la aerodinámica. Lograr más mejoras apreciables requieren inversiones, una forma es reducir las holguras entre los diferentes componentes exteriores de la carrocería; puertas, capó, tapa del maletero, faros, pilotos, etc.  Reducir la superficie frontal ya hemos comentado que tiene sus límites que pueden afectar a la seguridad activa primaria del conductor.

Al final de la animación se anticipan tecnologías de próximos capítulos, ¿las identificas?, no es necesario las iremos explicando en su momento, estas son:

  • Silueta del Jaguar XJS de perfil con motor delantero longitudinal y propulsión; se ven del motor 4 de sus 8 cilindros en V, pistones, bielas, cigüeñal, válvulas, árbol de levas en culata (OHC), circuitos de lubricación y refrigeración. Convertidor de par y caja de cambios automática de 5 relaciones.
  • Silueta del Jaguar XJS de frente; se ve la disposición en V de los cilindros. Doble árbol de levas en culata por cada bancada de cilindros (DOHC). Culatas de flujo transversal. Lubricación por cárter seco 

Si todo esto ya lo conoces, enhorabuena, sabes bastante de tecnología del automóvil y espero poder aportarte más conocimientos en los siguientes capítulos.

En caso de que no lo sepas o tengas dudas ya verás como poco a poco con el curso vas enlazando los diferentes conceptos para entender la inter-relación de todo lo que conforma el automóvil y hace que funcione.

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Vídeos de interés

1 comentario en “1.5.4. Carrocería (IV)”

  1. Gracias por un buen artículo. Conocer la mecánica de un vehículo es clave para poder maximizar su funcionamiento. También en los coches eco es importante.
    Saludos y gracias!

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