Artículo escrito por fdelgado

“Horsepower is how fast you hit the wall. Torque is how far you move that wall.” (La potencia es cómo de rápido llegas al muro. Par es lo lejos que mandas el muro.) “Horsepower sells cars, torque wins races” (La potencia vende coches, el par gana carreras). Esta frases, que pueden verse en multitud de firmas en foros de temática automotriz, hace llorar a un ingeniero. Claro, el par gana carreras, por eso los Ferrari de F1 llevan motores IVECO.

Ferrari F15T con motor IVECO

No sé de dónde viene esta tendencia de darle importancia a este valor completamente secundario y anecdótico, supongo que de tipos que pretenden hacerse los listos. Voy a ser claro: el par máximo del motor no es relevante para las prestaciones de un vehículo, y mucho menos con la dinámica de un impacto contra un muro. En la física existen dos ramas fundamentales: física teórica y física experimental. Para refutar esta teoría de que el par máximo es un dato relevante vamos a comenzar por la física experimental para luego apoyarnos en una base teórica.

Pongamos como ejemplo el estandarte de los coches con “poco par motor”: El Honda S2000. El fabricante de este excepcional deportivo declara 208 Nm para su motor, y un peso de 1250 kg.  Si el par motor es una variable clave para las prestaciones de un vehículo, un coche con 220 Nm de par y 1065 kg de peso debería arrasar en prestaciones al revolucionado Honda. ¿Será así?

Bueno, pues parece que el Dacia Logan 1.5 dCi no sólo no consigue mejorar los 6.4 segundos que tarda el Honda S2000 en alcanzar los 100 km/h sino que tarda prácticamente el doble en alcanzar esa velocidad. De esta forma tan sencilla queda refutada la teoría de que más par implica mejores prestaciones. La correlación que algunos habían querido ver, es simple casualidad estadística. Es como afirmar que alguien es alemán por ser rubio; es cierto que muchos alemanes son rubios, pero ni eres alemán por ser rubio ni debes tener el pelo rubio por haber nacido en Stuttgart.

¿Qué es el par? El par es una magnitud equivalente a una fuerza, pero rotatoria. Si una fuerza hace a las cosas moverse, el par es la magnitud que hace a las cosas girar. Se puede equiparar a una fuerza aplicada a una cierta distancia de un eje. Por ejemplo, la fuerza que haces sobre el aro del volante se transforma en un par en el eje de la dirección. Un par de 200 Nm se corresponde con una fuerza de 200 N aplicados con una palanca de 1 m de longitud. Para que os hagáis una idea 200 N de fuerza se corresponden con un peso de 20 kg. Esto quiere decir que yo, sin haber desayunado mucho, puedo aplicar un par de 200 Nm en el cigüeñal de un S2000. Pero os aseguro que por muchos cereales que tome no lo acelero hasta 100 km/h en 6.4 segundos. De hecho dudo que pase de unos pocos km/h.

Esto es así porque yo no seré capaz de hacer girar la manivela del cigüeñal más allá de unas 15 rpm aplicando esos 200 Nm, que se corresponden con una potencia de 300 W, o lo que es lo mismo, 0.5 cv. No es casualidad que la relación peso potencia del Dacia Logan sea de 11 kg/cv mientras que la del Honda es 5 kg/cv, entorno a la mitad. No, no es una casualidad. La relación peso potencia sí es una variable fuertemente ligada a la aceleración de un vehículo. Y para demostrarlo nos basaremos en la termodinámica. Y, antes de que nadie salga corriendo, no voy a pasar más allá de la primera ley: “La energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva.”

¿Qué tiene que ver esto con el par y la potencia? Cuando un coche acelera, el motor está convirtiendo la energía química del combustible en energía cinética del vehículo, siendo la potencia la cantidad de energía por unidad de tiempo que se intercambia. Un vehículo a cierta velocidad tiene una cantidad de energía cinética dada (un medio de la masa por la velocidad al cuadrado). La potencia media que ha entregado el motor para que el coche alcance esa velocidad será esa energía dividida por el tiempo que ha tardado en acelerarlo.

Si hacemos esta cuenta para espacios de tiempo muy cortos, nos queda que la potencia necesaria para incrementar la velocidad una cantidad determinada es directamente proporcional a la masa del vehículo, a la velocidad, y a la aceleración. O visto de otra manera, la aceleración es igual a la potencia dividida por la masa y la velocidad.

a  =P /m·v

Teniendo en cuenta esta ecuación, es fácil observar que a mayor potencia, más aceleración. No os he descubierto nada nuevo, pero lo que quiero dejar claro es que lo importante es la potencia independientemente de dónde venga. En un coche de 1000 kg, circulando a 80 km/h, con un motor que en ese momento dé 100cv (restando pérdidas), experimentará una aceleración de 2.7 m/s^2 independientemente de si el motor es otto, diésel, wankel, eléctrico o de vapor. Así que conociendo la masa, la potencia, las pérdidas y la velocidad del vehículo, podremos saber la aceleración en cada momento.

Con el dato de potencia máxima sabemos las prestaciones del motor, pero si queremos afinar un poco más y conocer mejor el comportamiento del motor en toda su gama de revoluciones hemos de dejar de lado las cifras y comenzar a juzgar de una forma cualitativa. Aquí es donde entra en juego el par motor, de una forma cualitativa y no cuantitativa. Esto quiere decir que nos tenemos que olvidad de las cifras y fijarnos en las formas. La forma de la curva de potencia, al ser creciente con las revoluciones, es difícil de interpretar. Sin embargo la curva de par tiende a ser más constante con las revoluciones, lo que nos permite juzgar de mejor manera la banda de utilización del motor.

Para juzgar la curva, hemos de comenzar desde el punto de potencia máxima, dado que es nuestra referencia de prestaciones. El resto de la curva hacia arriba y hacia abajo nos mostrará cómo se comporta el motor fuera de ese punto de potencia máxima. A continuación muestro tres curvas, una con un buen comportamiento en bajos, otra con un comportamiento bueno en medios, y otra con un comportamiento sólo en altos. Recordemos, son curvas de tres motores con la misma potencia máxima. La línea negra punteada corresponde con el par motor a régimen de potencia máxima.

Motores tipo A, B y C

Al ser motores con la misma potencia máxima, podemos asegurar que las prestaciones en la zona alta del cuentavueltas van a ser similares. El empuje en una misma marcha es proporcional al par, por lo que el motor A acelerará más en la zona baja del cuentavueltas que cualquiera de los otros dos, es decir, la curva está más llena. Aquí no quiero que se líe nadie. He dicho en una misma marcha. Supongamos que a 100 km/h todos los motores están girando en el régimen de potencia máxima en segunda velocidad. Al tener la misma potencia en ese momento la aceleración será la misma. Sin embargo, si metemos la quinta marcha, el motor A tendrá más potencia, por lo que acelerará más. He eliminado los números de las curvas porque no son relevantes. El motor A no tiene por qué tener un par máximo superior que el motor B y C. Esto es lo que espero que os haya quedado claro en este artículo.

Si deseamos hacer drift necesitaremos un par en rueda elevado. Nuevamente, esto está relacionado con la potencia del motor y no con el par motor. Para conseguir hacer patinar las ruedas tendremos que ejercer una potencia en el suelo igual a la fuerza de rozamiento multiplicada por la velocidad del vehículo. Si nuestro motor tiene una curva de potencia “tipo C”, esa potencia estará disponible durante un margen de RPM bajo, lo que hará más difícil poder mantener patinando las ruedas, dado que cambiar de marcha en mitad de una derrapada no es factible. Un motor tipo A o B nos facilitarán una potencia suficiente durante un rango de revoluciones superior, lo que se traduce en un mayor rango de velocidad y una mejor capacidad para mantener la derrapada.

En el siguiente ejemplo vamos a comprar las curvas de un Honda S2000 con un Mx5 2.0 sobrealimentado con un compresor centrífugo Rotrex (otro día hablaremos sobre motores sobrealimentados). Estos compresores no son capaces de generar una presión de sobrealimentación constante a lo largo de la curva, por lo que su curva de par es claramente creciente.

Curvas de potencia de un 2.0 atmosférico y sobrealimentado

Si nos fijamos en las cifras, el motor del Honda da 240 cv y 208 Nm de par, mientras que el motor del Mazda, al ser sobrealimentado da 15 % más de par para una potencia máxima de 220 cv. Como el Mazda pesa un poco menos ambos coches se quedan con una relación peso-potencia casi calcada. Si obtenemos la curva de empuje (fuerza en las ruedas) dividido entre el peso frente a la velocidad, vemos que al tener una relación peso potencia similar, la aceleración se iguala prácticamente a todas las revoluciones si utilizamos la marcha adecuada.

Esto lo podemos ver en la gráfica, donde se muestran las curvas para todas las marchas, y en negrita la marcha donde se consigue la mayor aceleración en cada momento (máxima potencia).

Curvas de empuje/peso frente a velocidad de ambos coches

Recordad, el Mazda da un par un 15% superior, pero como la curva da menos potencia a bajas vueltas, su respuesta es peor. Aquí vemos que tener un par máximo superior tampoco implica que un motor de la misma potencia responda mejor a bajas vueltas. Por lo tanto, vuelvo a repetir, la cifra de par máximo no es indicativa absolutamente de nada.

Existen otros matices a todo esto. Las curvas de potencia son curvas de potencia estáticas, es decir, con el motor girando a velocidad constante y con el acelerador a fondo. Cuando pisamos el acelerador, el motor tarda un tiempo en darnos la potencia que le corresponde para esas revoluciones. Esto es conocido como retardo, y es casi despreciable en un motor atmosférico, mientras que en un motor turboalimentado puede llegar a ser muy notable. El ser humano es más sensible a los cambios en la aceleración que a la aceleración en sí misma. Si alguna vez habéis montado en un ascensor de un rascacielos, habréis observado que sube 20 plantas en un suspiro sin apenas notar que se está moviendo a más de 30 km/h. Esto es porque la aceleración es gradual, al contrario que la clásica patada de los motores turbo, en los que la aceleración se incrementa de manera brusca y la hace percibir al usuario en mayor medida. Lo mismo sucede si antes de parar en un semáforo no soltáis el freno progresivamente (disminuís la deceleración), los pasajeros notarán un frenazo brusco cuando el coche se detenga por completo, cuando la deceleración habrá sido constante desde el inicio.

La inercia del motor también es una variable importante a tener en cuenta que no se ve en la curva de potencia. De aquí viene la parte del muro de la frase que inicia este artículo. Un motor con mucha inercia se comporta de manera diferente. Acelera menos que otro con menos potencia, pero es capaz de mantener una velocidad elevada por mucha que sea la carga. Es como aquellos coches de juguete que albergan un volante de inercia en su interior. Una vez que cargabas la rueda, no había quien les parase. Un motor con mucho par normalmente tiene mucha inercia, pero el valor del par es irrelevante, el dato importante es la inercia.

Sigamos desmontando mitos. Existe una tendencia a pensar que un motor de carrera corta produce menos par que un motor de carrera larga porque el cigüeñal tiene menos brazo. En lo que no caen los que hacen esta afirmación es que un motor de carrera corta tiene un pistón más grande, por lo que ejerce una fuerza superior sobre la biela. Casualmente ambas variables (brazo y diámetro del pistón) son lineales, por lo que se cancelan, y el par es el resultado de multiplicar la presión media efectiva por la cilindrada, independientemente de la configuración del motor.

Esto es parte de la confusión entre la forma de la curva de par y los valores de la misma. Dos motores de la misma cilindrada y tecnología, van a dar siempre un valor de par máximo similar, puesto que la presión media efectiva es la misma. Si comparamos un motor “racing” de carrera corta con un motor “percherón” de carrera larga, un fanático del par te dirá que el motor percherón funciona mejor a bajas vueltas porque “tiene más par”. Cambiarán de tema cuando le muestres las cifras y el “racing” tenga un valor igual o superior, sólo que a un número de revoluciones más elevado.

Otro ejemplo clásico son dos motores iguales en versión de ocho y dieciséis válvulas. Mismo par, sólo que a una velocidad de giro superior en el caso del 16 v.

Conclusión, para conocer el comportamiento de un motor hay que fijarse en el dato de potencia máxima y la forma de la curva de par. Espero haber aclarado un poco las cosas.

Extra Lap

En este artículo nos ha quedado claro de que el parámetro fundamental es la potencia, siendo el resto de variables algo secundario. Por ejemplo, pensemos en una aplicación típica en la que “hace falta mucho par, porque si no no se movería”. Vamos a tirar un mito abajo, el motor de un Ferrari movería un tráiler lleno de ladrillos igual que lo hace un motor Scania turbodiésel de la misma potencia. Gastando mucho más y requiriendo un mantenimiento mucho más exhaustivo, evidentemente, por eso los camiones tienen motores turbodiésel.

El ejemplo que os voy a poner ahora es real, y no una suposición. Se trata del tanque M1 Abrams del ejército de los EEUU. Para mover estos monstruos de 60 toneladas de una manera ágil hace falta potencia, mucha potencia, y eso es lo que dan los motores de estas máquinas de disparar.

 

M1 Abrams

En el diseño del M1 Abrams tuvieron en cuenta que pudiera utilizar cualquier tipo de combustible, sin importar el tipo y la calidad, y para eso no hay nada mejor que una turbina. Una turbina de 1500 cv a 22.500 rpm, el par motor de esa turbina está entorno a los 500 Nm, vamos, lo mismo que un motor turbodiésel de una berlina. Un tanque comparable sería el Leopard 2 alemán, que es propulsado por un motor turbodiésel de 12 cilindros, 48 litros de cilindrada y 1500 cv de potencia (unos 4500 Nm de par). ¿Os podéis imaginar qué sucedería si colocásemos un 4 cilindros turbodiésel de un Passat a un Leopard?