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INTRODUCCIÓN 

A pesar de que en el último tiempo la situación de los vehículos eléctricos se ha hecho mucho más conocida, aún existe mucha desinformación respecto a su funcionamiento y a los múltiples beneficios que estos conllevan. La información es de suma importancia en el contexto actual, ya que difundirla puede ser clave para que cada vez más personas se decidan a utilizar un vehículo eléctrico, y es por esto que el presente documento tiene por objetivo analizar una de las piezas claves de los vehículos:

Los motores.

Los motores son los mecanismos que permiten finalmente el movimiento de los vehículos, transformando la energía del combustible en energía mecánica, y he ahí su importancia. En este documento se compararán los dos tipos de motores más relevantes en la actualidad, el motor eléctrico y el motor a combustión.

Para esto, en primer lugar se presenta un glosario con términos importantes de conocer para la correcta comprensión de las secciones posteriores. Luego, se comparan ambos motores de acuerdo a sus principales características, para finalmente dar una conclusión al tema, destacando los puntos más relevantes de la comparación.

GLOSARIO

Para poder comprender de buena manera el contenido del siguiente documento, es necesario que el lector se familiarice y conozca los conceptos explicados a continuación:

Par motor: Fuerza con la que gira el eje del motor.  Se mide en Newton-metro (Nm) y es equivalente al torque.

Régimen de giro: Número de vueltas que da el eje del motor por unidad de tiempo. Se mide en revoluciones por minuto (rpm)

Potencia de un motor: Cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo, y se puede obtener al multiplicar el par motor por las revoluciones. Se mide en kilowatts (kW) o también en caballos de fuerza (HP).

Eficiencia de un motor: Relación entre la energía obtenida (movimiento) y la energía consumida (combustible). Se mide generalmente en porcentaje.

COMPARACIONES

En la presente sección se compara el rendimiento del motor eléctrico con respecto al motor a combustión, respecto a varias de sus características físicas más relevantes, y también respecto a los sistemas que utilizan.

Par motor

En primer lugar es importante mencionar que las curvas características de todos los motores eléctricos poseen la misma forma, variando principalmente sus límites, y en menor medida sus rangos, lo mismo ocurre para los motores a combustión.

Dicho esto, para realizar una comparación es necesario observar únicamente un motor eléctrico y uno a combustión que posean el mismo par motor máximo, sin perder generalidad. A continuación se presentan las curvas características de dos motores Nissan con igual par máximo:

La curva roja corresponde a la curva del motor del Nissan Leaf, vehículo eléctrico, mientras que la azul corresponde a la curva del motor del Nissan 1.6, vehículo a combustión.

La primera diferencia que se observa es que el  motor a combustión es incapaz de funcionar a revoluciones menores a 700 rmp (lo que se conoce como el límite de ralenti), dado que su giro se vuelve inestable y se detiene, mientras que el motor eléctrico funciona desde 0 rmp hasta más de 10.000 rmp de manera ininterrumpida.

Otra gran diferencia que es evidente de la figura es la magnitud del par motor, el cual es mayor para el motor eléctrico que para el motor a combustión, para todo régimen de giro. Junto con esto, el hecho de que el motor eléctrico parta desde 0 con su par máximo permite que el vehículo no necesite de un embrague para iniciar su marcha, con lo cual tampoco se necesita una caja de cambios, la cual, en caso de existir, solo ayudaría a que la partida del vehículo se realizara con mayor suavidad.

Potencia

Al igual que en el caso anterior, las curvas características de ambos tipos de motores poseen la misma forma, variando en cuanto a sus límites, y en menor medida, en cuanto a algunos rangos. De esta manera, para el análisis se escogieron los mismos motores de la sección anterior, los cuales poseen una potencia de 109 HP. Así, a continuación se presentan las curvas características de potencia de estos motores:

Del anterior gráfico se puede apreciar que, aunque la potencia máxima en ambos casos sea efectivamente la misma, el motor eléctrico es más potente para cualquier revolución. Junto con esto, se destaca de la figura que el motor eléctrico ofrece su máxima potencia en un largo rango, desde antes de las 3.000 rpm hasta cercano a las 9.800 rpm, funcionando incluso hasta las 10.400 rpm, lo cual marca una gran diferencia a la hora de la conducción.

Transmisión

Una vez observadas las dos secciones anteriores se hace evidente que el sistema de transmisión necesario para implementar ambos motores es distinto. Mientras que para un motor a combustión se hace completamente necesario un sistema de transmisión de varias marchas, para el funcionamiento de un motor eléctrico esto es opcional. Últimamente se han desarrollado vehículos con cajas de cambios, con
el objetivo de suavizar la partida de los vehículos, pero afectando el rendimiento en marchas largas.

Frenos

Existe una gran diferencia entre el sistema de frenado de un vehículo eléctrico, con el sistema de un vehículo convencional, que va más allá del freno regenerativo presente en los primeros, sino que más bien tiene que ver con la naturaleza de ambos motores. Esta diferencia se encuentra en la cantidad de calor que reciben los frenos.

Un motor eléctrico produce mucho menos calor, lo cual, sumado al hecho de que se frena menos en un vehículo eléctrico, produce que estos se sobrecalienten mucho menos con respecto a los frenos de un vehículo a combustión. Esto se traduce en menor masa giratoria, y por lo tanto, en la posibilidad de utilizar frenos más pequeños, reduciendo la masa del vehículo.

Junto con esto, se debe mencionar que los sistemas de frenado relacionados con los motores eléctricos requieren de menor mantención, dado que se utilizan y sobrecalientan menos.

Eficiencia

Es importante aclarar que el concepto de eficiencia (también llamada rendimiento energético) varía de acuerdo al tipo de motor. Para un motor eléctrico la eficiencia se define como la relación entre energía eléctrica que absorbe de las baterías, y la energía mecánica obtenida, mientras que para un motor a combustión se define como la relación entre la energía química contenida en el combustible, y la energía mecánica obtenida.

Considerando lo anterior, se tiene que el rendimiento energético de los motores eléctricos es sumamente superior al existente en los motores a combustión. Mientras en los motores eléctricos la eficiencia tiene una media de 90 %, alcanzando incluso el 95 % según algunos fabricantes, para los motores a combustión la cifra no supera el 25 % para motores de gasolina, ni el 30 % para motores diesel.

La explicación a esta gran diferencia es simple. Mientras en los motores eléctricos las pérdidas se dan principalmente el efecto Joule presente en sus distintas piezas, en un motor a combustión las pérdidas son múltiples, por un lado se tiene que el calor producido por la misma combustión no se aprovecha de buena manera, y eso hay que sumarle que en este tipo de motor existen muchas más piezas móviles,
cuyo roce produce una pérdida extra. Así, las pérdidas en el motor de combustión son mucho mayores, lo cual lo vuelve menos eficiente.

Es importante considerar también lo que posee poca eficiencia es el motor a combustión, lo cual no tiene relación con el combustible utilizado, ya que, tanto la gasolina como el diesel poseen una gran cantidad de energía química acumulada.

A continuación, y para profundizar aún más en la eficiencia de ambos motores, se presenta la curva característica del motor del Nissan Leaf, con la eficiencia que presenta en cada punto:

Observando la figura anterior, se puede observar la alta eficiencia que posee un motor eléctrico sea cual sea el par motor y las revoluciones a las que este se encuentre, presentando en todo momento una eficiencia igual o superior al 85 %. Junto con esto se puede observar que la zona de máxima eficiencia se encuentra en zonas con cargas parciales o medias y a altas revoluciones, lo cual se cumple para prácticamente todo motor eléctrico utilizado en vehículos.

Por el contrario, para motores a combustión interna, la figura es bastante distinta, observando variaciones mucho mayores de eficiencia de acuerdo a la carga y a las revoluciones, obteniendo su máxima eficiencia a cargas altas y bajas revoluciones. Es por esto que generalmente se recomienda conducir en marchas largas (generalmente quinta) y al menor número de revoluciones posibles para realizar una conducción eficiente en vehículos a combustión.

Dado lo presentado respecto al rendimiento energético de ambos motores, es evidente que el motor eléctrico es ampliamente superior, obteniendo una eficiencia mucho mayor al motor a combustión, y además manteniendo este rendimiento para casi todas las condiciones de par y revoluciones, algo en lo que el motor a combustión queda muy al debe, al poseer zonas en que su rendimiento decae considerablemente.

Consumo 

En la presente sección se comparará la eficiencia de ambos motores, visto desde el punto de vista de su consumo. Para esto, se considerará que un motor es más eficiente cuanta menos energía consuma para realizar el mismo trabajo, el cual será para este caso, realizar un desplazamiento de 100 km. Así, se compararán los litros/100 km que consume un motor a combustión, con los kWh/100 km que consume uno eléctrico.

Luego, para realizar una buena comparativa, es necesario, en primer lugar, expresar las cantidades en las mismas unidades de medida, y, en segundo lugar, comparar dos vehículos similares, uno con motor a combustión interna, y uno con motor eléctrico. Para lo primero, se tiene de manera directa que 1 kWh corresponde a 3.6 MJ para un motor eléctrico, mientras que para un motor a combustión depende de la energía presente en un litro de combustible, con lo cual se tiene que:

Un litro de gasolina posee una energía de entre 32.18 y 34.78 MJ.
Un litro de diesel posee una energía de entre 35.86 y 38.65 MJ.

con lo cual se obtiene que las cantidades a analizar estarán en las mismas unidades de medida. Para lo segundo, los vehículos a comparar serán el Renault Fluence de gasolina, el Renault Fluence de diesel y el Renault Fluence eléctrico, de los cuales se tienen los siguientes datos relevantes:

Renault Fluence gasolina: Posee un consumo real medio de 7.6L/100km.
Renault Fluence diesel: Posee un consumo real medio de 5.7L/100km.
Renault Fluence eléctrico: Posee un consumo promedio (a velocidades medias) de 18.5kWh/100km.

Con lo cual, utilizando las transformaciones de unidades antes mencionadas, se obtiene que el consumo de cada vehículo es el siguiente:

Renault Fluence gasolina: Consumo de entre 244.57MJ/100 km y 264.33MJ/100 km.
Renault Fluence diesel: Consumo de entre 204.40MJ/100 km y 220.31MJ/100 km.
Renault Fluence eléctrico: Consumo equivalente a 66.6MJ/100 km.

En donde se puede apreciar que el vehículo eléctrico tiene una eficiencia mucho mayor, dado que consume menos energía para realizar un mismo trabajo. No solo eso, hay que considerar también que el vehículo eléctrico (dado el conjunto de baterías que posee) pesa cerca de 300kg más que los vehículos a combustión, lo cual refleja aún más la superioridad del motor eléctrico, el cual consume cerca de la cuarta parte de un motor a gasolina, y una tercera parte de un motor a diesel.

Por último considerar también que en la situación más desfavorable para el Renault Fluence eléctrico, su consumo es de 99MJ/100km, que sigue siendo cerca de la mitad del consumo presente en el motor diesel.

CONCLUSIÓN

Observando las distintas comparativas realizadas en este documento, se llega a la clara conclusión de que el motor eléctrico es sumamente superior al motor a combustión en todos los aspectos aquí comparados (los cuales son considerados los más importantes en cuanto a motores se refiere). Así, un motor eléctrico posee mejores características en cuanto a potencia y par motor, entre las que destacan principalmente su rango y su estabilidad para distinto número de revoluciones.

También posee ventajas en cuanto a los sistemas de frenado y transmisión se refiere, dado que son más simples de utilizar. Por último, el motor eléctrico presenta una eficiencia mucho más alta que un motor a combustión, llegando a la conclusión antes señalada.

También es importante destacar que este documento no tiene intención de comparar un vehículo eléctrico con uno de combustión, dado que estos en conjunto poseen una serie de características que requieren de otro tipo de comparativas y análisis, y que, a pesar de que el rendimiento de un vehículo eléctrico con uno de combustión pueda ser un tema de discusión, lo que no debería serlo es que el motor eléctrico si es altamente superior al de combustión.

Es de esperar que el rendimiento general del motor eléctrico continúe en aumento en los próximos años, dado la importancia que posee en el escenario actual, y así logre convencer a los usuarios de ser un motor superior, no solo en cuanto a características físicas y rendimiento se refiere, sino también en cuanto a otras características, como lo son su nula emisión de gases contaminantes, el poco ruido que generan, entre otras grandes ventajas individuales y colectivas.

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REFERENCIAS
[1] Foro Coches Eléctricos (2011), Motor eléctrico versus motor de combustión: Par, potencia y eficiencia. [En linea] Disponible en: https://forococheselectricos.com/2011/11/motor-electricoversus-motor-de.html
[2] EcoInventos (2019), Estos son los motivos por los que un motor eléctrico supera a uno de combustión. [En linea] Disponible en: https://ecoinventos.com/motor-electrico-vs-motor-combustion/
[3] MotorPasion (2012), Hablemos de eficiencia: coche de combustión vs coche eléctrico. [En linea] Disponible en: https://www.motorpasion.com/coches-hibridosalternativos/hablemos-de-eficiencia-coche-de-combustion-vscoche-electrico/
[4] SpritMonitor (2020), Consumos reales de vehículos. [En linea] Disponible en: https://www.spritmonitor.de/en/

 

 

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