En este capítulo hablaremos de dos conceptos muy importantes para comprender el trabajo que se desarrolla en el interior del motor, estos conceptos son par y potencia.

El automóvil se desplaza por la energía de las explosiones en los cilindros.

El movimiento de los pistones, receptores de la energía de las explosiones, es alternativo de baja y sube en el interior de los cilindros que, al aplicarse por al biela al cigüeñal resulta un giro, y a través de la transmisión llega a las ruedas motrices.

La consecución de un giro partiendo de empujes tangenciales es un par o momento de giro.

Vamos a verlo en este módulo y también que la potencia es un resultado adicional al par motor.

Trabajo y par

El par es un giro

Un trabajo es ejercer una fuerza para desplazar algo una determinada distancia.

Cuando del resultado del trabajo se produce un giro o rotación se denomina par o momento de giro.

Con la animación siguiente vemos las explicaciones:

  • Tenemos un peso de 5 Kilogramos (Kg) en el suelo que queremos subir a una mesa situada a 1,5 metros (m) de altura.
  • Levantamos el peso y lo colocamos sobre la superficie de la mesa; hemos realizado un trabajo.
  • Su valor se obtiene multiplicando el peso por la distancia, esta es la fórmula:

Trabajo (T) = Fuerza/Peso (Kg) Distancia (m)

7,5 Kg x m (Trabajo) = 5 Kg (Fuerza/Peso) x 1,5 m (Distancia)

Se ha realizado un trabajo de 7,5 Kg x m

  • Ahora vamos a conocer el concepto de par:
    • Tenemos una tuerca y colocamos la llave de su medida para aflojarla.
    • Vamos aplicando fuerza en el extremo de la llave hasta que la tuerca afloja, y han hecho falta 5 Kg. Vamos posicionando para cada momento de giro la llave.
    • Hay una distancia D entre el punto de aplicación de la fuerza y el centro de la tuerca.
    • El resultado de este trabajo es un giro, el de la tuerca que estaba apretada.
    • Cuando el trabajo conlleva un giro o rotación se denomina par, luego entraremos en detalles de este nombre. En el caso que nos ocupa el valor del par es este:

Par (P) = Fuerza (Kg) Distancia (m)

7,5 Kg x m (Par) = 5 Kg (Fuerza) x 1,5 m (Distancia

Se ha desarrollado un par de 7,5 Kg x m

  • El resultado de ambos trabajos es el mismo en unidades de medida, pero con distintos comportamiento físicos.
  • El hecho de ir cambiando de posición el efecto de empuje sobre el extremo de la llave para que su acción se mantenga tangencial, hace que haya que ir adaptándola a cada momento de giro, que es otra denominación del par.

El par motor

Ya sabemos lo que es el par, lograr una rotación partiendo de una fuerza tangencial, y esto es lo que pasa en el motor al recibir el cigüeñal el empuje de la biela.

Veámoslo con la siguiente animación desde la bicicleta, que nos sirvió como modelo de explicación, hasta el motor de explosión:

  • La fuerza muscular del ciclista llega al pedal, que lo transmite tangencialmente a la corona generando el movimiento circular. El par obtenido en la bicicleta es este:

Par (bici) = Fuerza (muscular) x Distancia (entre el pedal y el centro de la corona)

  • En el motor la fuerza de la explosión sobre el pistón se transmite por la biela tangencialmente al cigüeñal que gira. Este es el resultado del par motor:

Par (motor) = Fuerza (explosiones) x Distancia (entre los extremos del cigüeñal)

  • La distancia D en la bicicleta y el motor son dimensiones de fabricación que se tienen en cuenta en el diseño.
  • Una vez fabricados la distancia D es un valor fijo invariable (en el motor del automóvil la distancia D es la mitad del recorrido del pistón en el cilindro, la carrera, como veremos en el módulo “2.6.1. Características del motor”).

Conceptos de par y potencia

Los dos factores de que depende el par motor son la fuerza de la explosión y la distancia entre los extremos de giro del cigüeñal.

Esta distancia es un valor fijo en un motor dado, por lo que la única variable es la energía de la explosión.

Esta energía es variable con las RPM y depende de otros muchos factores, entre los que se encuentran los recorridos que han de hacer los gases por sus colectores, además de tener que superar los “obstáculos” del filtro de aire en admisión y silenciadores (catalizadores, filtros antipartículas,…) en el escape.

Los gases se mueven a velocidades vertiginosas, veamos un ejemplo; a 3.000 RPM cada pistón baja y sube 50 veces por segundo.

Se producen en los colectores unos choques de las masas de gases desplazándose a estas inmensas velocidades que generan fuertes ondas de presión, diferentes en función de las RPM.

Se ha de elegir a qué RPM interesa que en un motor determinado se generen las explosiones de mayor energía, y se hace coordinando las secuencias de actuación de las válvulas con el movimiento de los pistones.

Según vayamos avanzando en el curso se irán explicando estos aspectos con detalle hasta que queden totalmente claros, de momento y como resumen nos quedamos con esto; la energía de la explosión no es constante, su valor depende de varios factores y se ha de elegir a qué RPM interesa que esté disponible la explosión más fuerte, el par máximo.

Vamos a tratar de poner en orden el objetivo de estas explicaciones con la siguiente animación, que nos lleva también a presentar la potencia del motor:

En un motor de automóvil de turismo el diseñador hace que el valor del par máximo, cuando las explosiones ofrecen más energía, esté en la zona media de RPM de uso, pues son las más utilizadas por el conductor de este tipo de automóvil.

La potencia es obtiene multiplicando el par por las RPM, por lo que el valor de potencia máxima estará en la zona alta de RPM; Potencia = Par x RPM.

El par es proporcional a la fuerza de la explosión.

Circulando a las RPM en que el motor da un buen valor de par la respuesta al acelerador será buena, el par es “fuerza”.

Para disfrutar de la potencia se ha de subir el motor de RPM.

Cuando el par es insuficiente se reduce de relación de cambio subiendo el motor de RPM, logrando de esta forma la respuesta que no aportaba el par.

Al estar la potencia en la zona alta de RPM se la asocia a aceleración y “velocidad”.

Comparando de nuevo el motor de explosión y la bicicleta, vemos que en esta la potencia es el resultado de multiplicar la fuerza muscular aplicada sobre el pedal por el número de pedaladas.

Será un velocista aquel ciclista que aunque no tenga mucha fuerza puede aportar elevada velocidad de pedaleo, pues se hace en llano.

Para subir pendientes hará falta más fuerza muscular que velocidad de pedaleo para afrontar el esfuerzo.

Aportaciones del par y la potencia en el automóvil

Los valores del par y potencia y las RPM a que se obtienen determinan la respuesta del automóvil al acelerar.

En el módulo siguiente explicaremos las curvas de par y potencia con detalle, en este vamos a ofrecer un anticipo comparando tres automóviles con diferentes valores de par (y su relación con las RPM) y potencia, con la animación siguiente:

  • Se ven los tres automóviles con distintos valores de par y potencia:
    • En el de la imagen superior los valores de par y potencia son medios.
    • La imagen central representa un automóvil en el que se prima la potencia sobre el par.
    • Y en la imagen inferior es el par al que se busca dejando la potencia en segundo plano.
  • En el primer automóvil el objetivo es un equilibrio entre el par “fuerza” y la potencia “velocidad”, corresponde a los premisas de un automóvil de turismo con cinco plazas y buen maletero.
  • El segundo coche ofrece elevados valores de potencia “velocidad” dando menos importancia al par “fuerza”, es un automóvil deportivo.
  • Llegamos al tercer automóvil en el que el par “fuerza” es prioritario y la potencia “velocidad” secundaria, es un vehículo para carga o que ha de superar fuertes pendientes, como es el caso de un todoterreno.
  • Se ven a continuación las características de tres automóviles que representan los tres tipos explicados, y la situación en el cuenta RPM del par máximo en cada caso (son motores atmosféricos, sin sobrealimentación, pues didácticamente permiten entender mejor los conceptos de par y potencia en este momento del curso):
    • Como coche de turismo vemos los datos de un Renault Laguna 2.0 16V (2014):
      • Cilindrada; 2 litros (1.997 cc). Cuatro cilindros en línea
      • Potencia máxima; 140 CV
      • Par máximo; 19,9 Kg.m a 3.750 RPM
    • Para el automóvil deportivo hemos seleccionado el Mazda MX5 2.0 (2014):
      • Cilindrada; 2 litros (1.997 cc). Cuatro cilindros en línea
      • Potencia máxima; 160 CV
      • Par máximo; 19,1 Kg.m a 5.000 RPM
    • Como vehículo de carga o todoterreno elegimos el Nissan Patrol 3.3 D (1.990):
      • Cilindrada; 3,3 litros (3.246 cc). Seis cilindros en línea
      • Potencia máxima; 95 CV
      • Par máximo; 22 Kg.m a 1.800 RPM
    • Comparando estos tres automóviles y sus respectivos motores se deduce que las RPM de par máximo corresponden a la mejor respuesta del motor, en el coche de turismo es la zona media de RPM, en el deportivo se ha de subir a la zona alta y el todoterreno responde bien ya desde bajas RPM.
    • Si al motor del coche deportivo le pedimos aceleración a bajas RPM no responderá con energía.
    • El motor del todoterreno no puede subir mucho de RPM y además se reduce su respuesta, pues no es su objetivo.
    • En el coche de turismo se logra un buen equilibrio entre los dos.

Estas explicaciones sobre par y potencia buscan dejar claros los conceptos antes de llegar a otros temas que alteran, mejorando, bastante la respuesta de los motores.

La evolución de la sobrealimentación, la distribución variable y la inyección de combustible (más el encendido en gasolina) han logrado conjugar en un mismo motor valores buenos de par y potencia, combinando las ventajas de ambos conceptos.

Este tipo de motor se puede utilizar a bajas RPM con consumo y contaminación reducidos, por los excelentes valores de par “fuerza” y también buscando la potencia “velocidad”, pues al tener buen par motor la potencia resultante es elevada si se quieren más prestaciones.

Entre ambos estilos de conducción está el equilibrio de uso.

Estas disquisiciones son para irnos preparando a lo que veremos según el curso vaya avanzando.

¿Por qué se llama par o momento de giro?

La animación que se ofrece a continuación redunda en explicar la denominación de par o momento de giro y las unidades de medida de par y potencia:

  • Al aplicar la fuerza de las dos manos sobre un volante, este gira por efecto del par de fuerzas contrapuestas, par de fuerza.
  • Cada momento del giro se ha de modificar la posición de las manos para mantener el empuje tangencial que induce el giro del volante.
  • El par resultante es;

Par = F (de cada mano) x D (distancia de cada mano al eje del volante) x 2 (fuerzas) 

  • Hay dos formas más de obtener el mismo valor de par:
    • Aplicar el doble de fuerza con una sola mano.
    • La misma fuerza original con una mano aplicada desde el doble de distancia.
  • Las unidades de medida del par son: kilogramo por metro (Kg.m) y newton por metro (Nw.m). Su equivalencia es; 9,8 N.m = 1 Kg.m.
  • La potencia se mide en caballos de vapor (CV) y kilovatios (Kw). 1 Kw = 1,36 CV.

Resumen de este módulo

Para repasar este módulo utilizamos la silueta lateral de un Saab 92, con motor de dos cilindros en línea transversal delantero y tracción:

  • La fuerza de la explosión sobre el pistón al llegar al extremo de la biela y actuar sobre el cigüeñal induce su giro.
  • Cuando un trabajo da como resultado una rotación se denomina par o momento de giro.
  • El valor del par motor es el resultado de multiplicar la fuerza de la biela sobre el cigüeñal por la distancia entre los extremos de giro de este; Par = F x D.
  • Si el par máximo está en la zona baja de RPM se prima este sobre la potencia, será un vehículo de carga, todoterreno o similar.
  • El par máximo en la zona media de RPM busca un equilibrio entre par y potencia, es la opción más frecuente en automóviles de turismo.
  • Cuando está el par en la zona media/alta de RPM se prima la potencia, la respuesta a altas RPM en detrimento de las bajas, es el caso de un coche deportivo.
  • Recordamos que la potencia es el resultado de multiplicar el par por las RPM; Potencia = Par x RPM.
  • Se deduce que la potencia se puede lograr con más par o más RPM, llevando a resultados distintos en la respuesta del motor, como veremos en los siguientes niveles 2 (intermedio) y 3 (avanzado).

Artículos relacionados

Otros enlaces

Vídeos de interés

Deja una respuesta