Curvas de rendimiento de un motor

Sobre un motor diésel marino es habitual encontrar publicada la siguiente información:

Aquí hay una cantidad considerable de información condensada. Analicémosla.

Pruebas de motores

Los datos sobre el rendimiento de los motores se recogen en una cabina de pruebas de acuerdo con los parámetros establecidos en una o varias normas. John Deere, por ejemplo, utiliza las normas ISO 3046/SAE J1995 e ISO 8665/SAE J1228. 

La norma ISO 3046 «se aplica a los motores de combustión interna alternativos (RIC) para uso terrestre, de tracción ferroviaria y uso marítimo, y puede aplicarse a los motores utilizados para propulsar maquinaria de construcción de carreteras y de movimiento de tierras, carretillas industriales, así como para otras aplicaciones en las que no exista una norma internacional adecuada para estos motores».

La norma SAE 1995 está «destinada específicamente a ser utilizada principalmente por fabricantes de motores que suministran motores para su instalación por terceros en aplicaciones en las que el fabricante del motor puede no controlar el diseño del sistema de admisión y escape ni la velocidad a la que funciona el motor».

Las normas ISO 8665 y SAE J1228 definen los requisitos de ensayo para determinar las potencias nominales de los motores.

Las condiciones de homologación estándar en los ensayos de la ISO y la SAE se basan en características atmosféricas y del combustible bien definidas. Entre ellas se incluye una temperatura del aire ambiente de 25 ˚C/77 ˚F, que es muy inferior a la temperatura del aire ambiente que se da en la mayoría de los compartimentos de motor de las embarcaciones una vez que el motor se ha calentado, junto con especificaciones relativas a la presión barométrica, la temperatura del combustible y la densidad del mismo, todas las cuales variarán en cierta medida en condiciones reales.

En las pruebas, es habitual que el agua de refrigeración se suministre a través de un sistema presurizado en lugar de mediante la bomba de agua de refrigeración del motor, y que el agua se descargue por un conducto distinto al del sistema de escape. De este modo se eliminan las pérdidas parásitas que suelen darse en una embarcación. Sin embargo, John Deere realiza sus pruebas con la bomba de agua de refrigeración instalada. Independientemente del fabricante, un motor casi siempre se prueba sin cargas adicionales, como la de un alternador.

En resumen, una vez instalado en una embarcación, hay una serie de factores que pueden afectar negativamente al rendimiento del motor en comparación con el rendimiento registrado en la célula de pruebas.

Más allá de las condiciones nominales estándar, John Deere establece una restricción máxima admisible en la entrada de aire de 12” H₂O (3 kPa) y una contrapresión máxima admisible en el escape de 30” H₂O (7,5 kPa). Ambos valores pueden variar significativamente en la práctica, especialmente en una sala de máquinas excesivamente hermética con conductos de admisión y salida de aire mal diseñados, o con un sistema de escape deficiente. Para garantizar el cumplimiento de estas especificaciones, tras la instalación, John Deere y algunos otros fabricantes de motores exigen la realización de pruebas en el agua a plena carga. Durante el funcionamiento, John Deere exige que la temperatura de la entrada de aire no supere en más de 30 °F/17 °C la temperatura ambiente exterior a la embarcación.

Condiciones adicionales

La potencia del cigüeñal se mide en el volante de inercia y se expresa en kilovatios (kW) o en caballos de fuerza al freno (bhp). Ambas unidades se pueden convertir fácilmente: 1 kW = 1,34 bhp. Los caballos de fuerza al freno (bhp) y los caballos de fuerza (hp) suelen considerarse sinónimos. Sin embargo, existe una versión métrica de los bhp, conocida como caballos de fuerza métricos (mhp), que es un 1,4 % inferior a los hp. En ocasiones, un fabricante de motores utiliza los mhp a efectos de clasificación y, posteriormente, muestra la potencia resultante en hp en lugar de en mhp.

La incorporación de una caja de cambios marina suele añadir pérdidas por fricción de entre el 3 % y el 5 %. Esto puede mostrarse (aunque no en este ejemplo de John Deere) con una segunda curva situada inmediatamente debajo de la curva de potencia máxima. Teniendo en cuenta las pérdidas de la transmisión, la potencia disponible en el acoplamiento de salida de la transmisión se expresa en caballos de fuerza en el eje (shp). Esta información suele facilitarse cuando el fabricante del motor también suministra la transmisión y, por lo tanto, conoce las pérdidas de la misma. John Deere no suministra transmisiones. La potencia en el eje (shp) también puede expresarse en términos de potencia métrica en el eje (mshp), con la misma pequeña diferencia que existe entre bhp y mhp.

Ni el shp ni el mshp indican la potencia real transmitida a una hélice, ya que existen pérdidas adicionales por fricción en los cojinetes del eje de la hélice —normalmente en torno al 0,5 % por cojinete— o en los engranajes adicionales necesarios para los sistemas de propulsión dentro-fuerabordas, los sistemas saildrive  y los sistemas de propulsión tipo pod.

La conclusión es que, cuando el motor se instala en una embarcación, la potencia máxima que se transmite a la hélice será, como mínimo, varios puntos porcentuales por debajo de la potencia nominal del motor.

Ciclos de trabajo (factores de carga) y emisiones

A cada motor se le asigna un ciclo de trabajo. Si el motor no está homologado para un funcionamiento continuo —y ninguno lo está en aplicaciones náuticas recreativas—, la potencia máxima está disponible durante un periodo de tiempo estrictamente limitado. En el caso de este John Deere, el motor está destinado a aplicaciones recreativas. Está homologado según un ciclo de trabajo M5 que limita el acelerador a fondo (WOT) a una media de no más de 30 minutos cada 8 horas, con una media de horas de funcionamiento diarias de no más de ocho y unas horas de funcionamiento anuales de no más de 1.000. 

Una versión diferente de este motor, el 4045AFM85, está clasificada según un ciclo de trabajo M3 que limita el acelerador a fondo (WOT) a una media de no más de 4 horas cada 12 horas, con una carga total a lo largo del tiempo que no supere el 50 % de la potencia nominal. Si fuera necesario, un cliente puede utilizar este motor a plena aceleración (WOT) durante, por ejemplo, 8 horas, pero a lo largo del tiempo el promedio no debe superar las 4 horas cada 12 horas; es decir, la clasificación M3 se refiere a la carga acumulada a lo largo de la vida útil del motor. Cabe señalar que la versión M3 de este motor tiene una potencia máxima de 200 hp, frente a los 315 hp de la versión recreativa.

Algunos motores diésel marinos recreativos están homologados para tan solo un 5 % a plena potencia (30 minutos cada 10 horas).

Muchos fabricantes de motores asocian una cifra de vida útil, o una cifra similar de esperanza de vida, a la clasificación del ciclo de trabajo. Al final de la vida útil, cabe esperar una revisión a fondo. La vida útil se expresa bien en horas (normalmente en el caso de motores con una clasificación de ciclo de trabajo recreativo) o bien en función del volumen de combustible consumido (normalmente en el caso de motores con una clasificación de ciclo de trabajo comercial). En este último caso, cuanto más se exige al motor, más rápido se consume el combustible y menos horas de funcionamiento quedarán antes de que finalice la vida útil. John Deere no indica una vida útil concreta. En su lugar, se aconseja a los clientes que consideren la posibilidad de realizar una revisión general cuando el motor comience a mostrar signos de que es necesaria.

La Agencia de Protección Ambiental (EPA) de EE. UU. exige a los fabricantes de motores que ofrezcan una garantía de cumplimiento de las normas de emisiones. Este requisito es mucho más estricto para los motores con clasificación de uso comercial que para los de uso recreativo. En el primer caso, el motor debe cumplir la normativa durante 10.000 horas o 3 años, lo que ocurra primero; en el segundo, durante 500 horas o 3 años.

Par motor

Los datos del motor incluyen una curva de par motor. El par motor es una fuerza de giro. Conceptualmente, se mide en función de la longitud de una palanca fijada en ángulo recto al extremo de un eje, junto con la fuerza ejercida por un peso que, bajo la influencia de la gravedad, cuelga del extremo de la palanca. Tenemos longitud y fuerza. Imaginemos un peso de 100 lb (45,4 kg) que cuelga verticalmente de la punta de una palanca horizontal de 1 pie (0,3 m): tenemos un par de 100 lb-ft. Esto se complica un poco más en el sistema métrico, ya que debemos convertir el peso de 45,4 kg a una unidad denominada Newton (N) aplicando una constante (9,807) que representa la influencia de la gravedad, y luego multiplicar este valor por la longitud de la palanca en metros para obtener Newton-metros (Nm). En este caso tenemos (45,4 × 9,807) × 0,3 = 134 Nm. Podemos convertir las libras-pie a Nm de la siguiente manera: 1 lb-ft = 1,356 Nm.

Tomemos como ejemplo el motor John Deere funcionando a 1.000 rpm y utilicemos unidades imperiales. El par se indica como 331 lb-pies en el cigüeñal (tenga en cuenta que «lb-ft» a veces se expresa al revés, como «ft-lbs»; no supone ninguna diferencia en este contexto). Si acoplamos un eje de hélice y una hélice directamente a este motor (es decir, sin engranajes reductores) y la hélice tiene un diámetro de dos pies, esto nos da un radio de hélice de un pie (esta es la longitud de la palanca). Si sujetamos la punta de una pala de la hélice, a 1.000 rpm tendremos una fuerza de giro de 331 libras. Si somos lo suficientemente fuertes como para aguantarla, el motor se calará.

Si tenemos una hélice de cuatro pies de diámetro, con un radio de dos pies, lo que significa que hemos duplicado la longitud de la palanca, la fuerza en la punta de la pala se reducirá a la mitad, hasta 165,5 libras.

Si el motor tiene un engranaje reductor de 2:1, de modo que ahora el eje de la hélice gira a 500 rpm, en ausencia de pérdidas por fricción, el par en el eje de la hélice se duplica hasta alcanzar los 662 lb-ft.

Existe una relación aritmética sencilla entre la longitud, la fuerza, la relación de transmisión y el par.

Cuanto mayor sea el par a unas rpm determinadas, mayor y más potente será la hélice que se pueda hacer girar.

Potencia

El par máximo de un motor diésel marino nunca coincide con el régimen máximo del motor: se alcanza entre el 30 % y el 80 % del régimen máximo y, a partir de ahí, va disminuyendo.

Si el par motor comienza a disminuir por encima de un determinado régimen del motor, ¿cómo es posible que la potencia nominal del motor siga aumentando al aumentar el régimen?

Esto se debe a que la potencia es una función tanto del par motor como de las revoluciones por minuto (rpm). Mientras las rpm aumenten más rápido de lo que disminuye el par motor, la potencia seguirá aumentando. Si la tasa de disminución del par motor supera la tasa de aumento del régimen del motor, la potencia disminuye.

En todas las curvas de potencia de los motores diésel marinos se observa un aplanamiento de la curva a medida que se acerca la velocidad máxima. No es raro que la curva se mantenga más o menos plana durante los últimos cientos de rpm: el par motor disminuye al mismo ritmo que aumenta la velocidad. Este es el caso del motor John Deere.

La fórmula que relaciona la potencia, el par y las revoluciones por minuto es la siguiente:

• Potencia (kW) = [par (Nm) × velocidad (rpm)/9549]
  
• Potencia (hp) = [par (lb-ft) × velocidad (rpm)/5252]
  

Como se ha señalado anteriormente, la curva de potencia de John Deere que se muestra corresponde a la potencia en el cigüeñal (hp/bhp) y no en el eje de la hélice (shp). Entre el cigüeñal y el eje de hélice se produce aquí una pérdida de potencia de entre el 3 % y el 5 % a través de la transmisión y de los engranajes reductores, y, más allá de la transmisión, una pérdida adicional por cada cojinete que soporta el eje de hélice (o por el engranaje que cambia la dirección de empuje en una unidad dentro-fueraborda, saildrive o tipo pod).

Hélices

La curva de absorción de potencia de la hélice que se publica junto con los datos del motor se calcula utilizando metodologías estandarizadas. No se mide, por lo que se desviará en cierta medida de los resultados de las pruebas reales en el agua.

Para realizar el cálculo, se utilizan diferentes exponentes teóricos en función del tipo de hélice, el casco y otros factores. La curva utilizada por John Deere se basa en un exponente de 3,0, adecuado para hélices de baja velocidad y alto empuje. En la mayoría de las aplicaciones recreativas, es más habitual y adecuado un exponente de 2,7. En algunas aplicaciones especializadas, el exponente puede ser tan bajo como 2,2. Este es otro caso en el que es importante consultar las especificaciones técnicas y las notas al pie para asegurarse de que los datos son adecuados para la aplicación en cuestión.

Las hélices absorben la potencia de forma diferente a como la desarrollan los motores. Siempre existe un desajuste entre las curvas de potencia del motor y las curvas de absorción de potencia de la hélice. Ambas solo pueden coincidir en un único punto. Casi siempre, una hélice se dimensiona de tal forma que su curva de absorción de potencia se cruce con la curva de potencia máxima del motor a las revoluciones por minuto (rpm) nominales máximas del motor. John Deere es más conservador que la mayoría de los fabricantes de motores. Durante las pruebas de mar de puesta en servicio, con la embarcación a plena carga y a plena potencia (WOT), exige que el motor alcance velocidades entre 20 y 40 rpm por encima de la velocidad nominal máxima. Esto proporciona un margen de seguridad frente a las incrustaciones en el casco y otros factores que pueden aumentar la carga del motor con el paso del tiempo.

¿Y qué hay de la diferencia entre condiciones de navegación tranquilas y agitadas? Nigel ha llevado a cabo un gran número de pruebas en el agua con equipos precisos de registro de datos que miden las revoluciones por minuto (rpm), el par del eje de la hélice y el consumo de combustible. Utilizó una gran variedad de hélices. Las pruebas se realizaron en todo tipo de condiciones, desde aguas tranquilas, con y sin viento, hasta aguas agitadas con vientos de fuerza de tormenta. Lo que Nigel descubrió es que, para un régimen de motor determinado, la velocidad de la embarcación variaba considerablemente en función de las condiciones, pero el consumo de combustible apenas variaba. En otras palabras, la carga de la hélice y las tasas de consumo de combustible están estrechamente ligadas a las revoluciones por minuto del motor, independientemente de las condiciones. Lo único que ocurre en condiciones adversas es que, para un régimen de motor determinado, la embarcación avanza más lenta.

Independientemente de las condiciones, si una hélice es demasiado grande, su curva de absorción de potencia cruzará la curva de potencia máxima del motor antes de que este alcance su velocidad y potencia nominales máximas. El motor no podrá aumentar su velocidad más allá de la velocidad en el punto de cruce de las curvas. Se dice que la embarcación tiene una hélice sobredimensionada o de paso excesivo. Algunos fabricantes de motores anulan la garantía del motor en caso de usar una hélice demasiado grande, aunque en ocasiones se permite e incluso se recomienda un ligero sobredimensionado (pero no por parte de John Deere). John Deere no anula la garantía. Sin embargo, es probable que cualquier reclamación de garantía se vea comprometida si está relacionada con una instalación inadecuada, como el uso de una hélice demasiado grande.

Si una hélice es demasiado pequeña, a plena potencia (WOT) su curva de absorción de potencia permanece por debajo de la curva de potencia máxima del motor. La diferencia entre ambas representa una potencia potencial que no se está utilizando.

Exceso de potencia

¿Qué ocurre con la potencia no utilizada? ¡Nada!

El acelerador de un motor diésel marino envía una orden de régimen de revoluciones al motor. Un dispositivo conocido como regulador controla el proceso de inyección de combustible para mantener ese régimen. Si la carga aumenta, se inyecta más combustible; si la carga disminuye, se inyecta menos. El régimen se mantiene constante.

Incluso con una hélice correctamente adaptada, el único momento en el que la hélice carga al máximo el motor y el regulador de inyección de combustible se abre al máximo es a plena potencia (WOT). El resto del tiempo, la carga de la hélice es inferior a la potencia que el motor puede suministrar; existe una cantidad considerable de capacidad no utilizada. Esto se representa en el gráfico mediante la diferencia entre la curva de la hélice y la curva de potencia máxima del motor.

Si añadimos cargas adicionales a un motor, como un alternador de alta potencia o una bomba hidráulica, aprovechamos parte de esta capacidad no utilizada. El motor responde inyectando el combustible adicional que sea necesario para mantener el régimen establecido con esta carga extra.

Consumo de combustible

Los fabricantes de motores diésel marinos suelen publicar datos sobre el consumo de combustible basados en la curva de hélice publicada. John Deere nos ha facilitado tanto cifras absolutas (volumen de combustible consumido por hora a cualquier régimen del motor) como datos sobre el consumo específico de combustible en freno (BSFC), ambos basados en la curva de hélice. El BSFC se abrevia a veces como consumo específico de combustible (SFC). 

A un régimen determinado del motor, el BSFC nos indica la cantidad de combustible consumido para generar cada kilovatio-hora (kWh) de energía transmitida al cigüeñal. Como hemos visto en la última lección, es análogo al precio por kWh de electricidad que aparece cada mes en la factura de la luz, salvo que, en lugar del coste por unidad de electricidad consumida, el SFC nos indica el combustible consumido por unidad de energía transmitida al cigüeñal. Por razones en las que no es necesario entrar ahora, el consumo de combustible se expresa en términos de peso y no de volumen. Lo fundamental que debemos saber es que, cuanto menor sea el valor del BSFC, más eficiente será el motor.

Las cifras de consumo de combustible (tanto absolutas como BSFC) suelen ser bastante precisas a cargas elevadas, pero es razonable suponer que serán optimistas a regímenes de motor y cargas de hélice más bajos, ya que las pruebas realizadas en laboratorio no habrán reproducido con exactitud algunas de las cargas parásitas que se dan en el mundo real.

Como era de esperar, observamos que el consumo de combustible (en litros o galones) de nuestro motor John Deere aumenta de forma constante a medida que suben las revoluciones del motor y la carga de la hélice, pero, al mismo tiempo, vemos que las cifras de BSFC descienden hasta un mínimo de 212 g/kWh a 2.200 rpm y luego vuelven a aumentar; 2.200 rpm es el régimen más eficiente para hacer funcionar este motor con esta hélice. Esto se correlaciona perfectamente con la zona de par máximo de este motor.

Lo que no sabemos es a qué distancia de la eficiencia máxima del motor nos encontramos todavía. Lo único que sabemos es dónde se sitúa la eficiencia máxima a lo largo de la curva de la hélice. Para saber dónde se produce la eficiencia máxima del motor en su conjunto, necesitamos algo llamado «mapa de combustible»  (véase la última lección), que los fabricantes de motores rara vez desarrollan y, si lo hacen, casi nunca publican. Para conseguir uno para el motor Volvo-Penta D2-75 de su velero, Nigel tuvo que desmontar el motor del barco y enviarlo a Steyr Motors, en Austria, que disponía de la celda de pruebas y del equipo de mapeo de combustible necesarios.

Nigel calcula que la eficiencia máxima de este motor John Deere es inferior a 200 g/kWh, mientras que la eficiencia máxima en la curva de la hélice es de 212 g/kWh.

*Curva teórica de la hélice con exponente 3.0, medida al volante de inercia

Eficiencia del motor frente a millas recorridas

Como hemos visto al analizar las cifras de BSFC en la curva de la hélice, el punto más eficiente de funcionamiento del motor se sitúa a 2.200 rpm. Sin embargo, en términos de consumo de combustible por milla recorrida, este no será el punto más eficiente de funcionamiento de la embarcación, especialmente si el motor está instalado en un casco de desplazamiento. El factor clave aquí es la curva de resistencia del casco que, en un casco de desplazamiento, aumenta de forma casi exponencial a medida que aumenta la velocidad de la embarcación cuando nos acercamos a la aceleración máxima (WOT).

En lo que respecta al desplazamiento de la embarcación por el agua, cuando el régimen del motor aumenta desde el ralentí hasta el punto más eficiente de funcionamiento del motor (2.200 rpm en este caso), la resistencia del casco aumenta más rápidamente de lo que disminuye el BSFC. El efecto neto es que el volumen de combustible consumido por milla recorrida aumenta, aunque el motor esté funcionando de forma más eficiente. En ausencia de influencias del viento y de las mareas, en general, cuanto más despacio se navega en una embarcación de desplazamiento, menor es el consumo de combustible por milla recorrida. La consecuencia de esto es que muchos navegantes recreativos que suelen hacer funcionar sus motores a WOT podrían reducir a la mitad el gasto en combustible con una modesta reducción de la velocidad de la embarcación (véase la última lección). 

Por supuesto, nadie quiere limitar el funcionamiento de la embarcación a bajas revoluciones del motor y, además, un funcionamiento prolongado a bajas revoluciones suele ser perjudicial para el motor, lo que provoca, entre otras cosas, el vitrificado de los cilindros y una formación excesiva de carbonilla en el escape. Se busca un equilibrio entre la velocidad de la embarcación, las millas por galón y la eficiencia del motor. Supongamos que hacemos funcionar el John Deere la mayor parte del tiempo a 2.200 rpm. El motor funcionará en su punto óptimo, con la hélice aplicando una carga de 114 kW a un motor con una potencia nominal de 235 kW. Se trata de un ciclo de trabajo del 49 % que se ajusta bien a la clasificación M5.

Optimización de la eficiencia del barco

Históricamente, para cualquier régimen de motor dado, la eficiencia óptima se ha situado en algún punto por encima del 70 % de la potencia nominal a plena carga a ese régimen. Hasta cerca del régimen máximo (WOT), una hélice aplica una carga que se encuentra muy por debajo de la curva de potencia máxima del motor. En consecuencia, hasta cerca del régimen máximo (WOT), cualquier aumento de la carga (por ejemplo, un alternador o una bomba hidráulica) ha incrementado la eficiencia del motor. Esto se ha modificado en cierta medida en las últimas décadas como consecuencia de los cambios impulsados por una legislación sobre emisiones cada vez más estricta, pero, no obstante, parece seguir siendo una generalización razonable a juzgar por el número limitado de mapas de combustible a plena carga que Nigel ha visto.

A efectos de argumentación, supongamos que el punto de funcionamiento más eficiente se encuentra en algún punto por encima del 70 % de carga, a la velocidad del motor a la que se desarrolla el par máximo. En el caso del motor John Deere, el par máximo de 723 lb-ft se alcanza a 2.000 rpm. A 2.000 rpm, la potencia nominal máxima es de 205 kW. Podemos restar unos pocos kilovatios correspondientes a la transmisión y otras pérdidas. El 70 % de esta cifra nos da unos 133 kW.

A 2.000 rpm, una hélice estándar absorbe 86 kW. Disponemos de un margen entre 86 kW y 133 kW para añadir un alternador de gran potencia u otra carga. Es probable que esto mejore la eficiencia del motor en lugar de reducirla. Por ejemplo, a este régimen del motor, el alternador Integrel que Nigel ayudó a desarrollar genera hasta 8 kW de energía eléctrica con una eficiencia aproximada del 70 % y, por lo tanto, absorbe hasta 12 kW de potencia del motor. Esto nos sitúa holgadamente dentro del margen disponible del motor John Deere. Probablemente reducirá el consumo específico de combustible (SFC) por debajo de los 212 g/kWh, aunque, tal y como John Deere le ha señalado a Nigel, no tenemos forma de saberlo, ya que no disponemos de un mapa de combustible completo para este motor. 

En cualquier caso, a las velocidades de crucero normales hay un margen considerable para hacer funcionar potentes dispositivos generadores. Cuando se acopla a grandes bancos de baterías e inversores, en un número cada vez mayor de yates tipo trawler y aplicaciones similares, esto permite que sistemas de CA de gran envergadura, incluido el aire acondicionado, funcionen sin necesidad de un generador a bordo (tratamos este tema en detalle en nuestro curso «Electricidad Marina Avanzada»). Sin embargo, la carga combinada de propulsión y generación debe mantenerse dentro del ciclo de trabajo nominal del motor (por ejemplo, M5), y se requiere un mecanismo (como un controlador Integrel, Wakespeed o Altion) para reducir gradualmente la potencia de generación a medida que nos acercamos al régimen máximo (WOT), con el fin de no sobrecargar el motor.

Resumen

Los datos sobre el rendimiento del motor proporcionan una gran cantidad de información útil que puede aplicarse para garantizar que el motor se adapte a la embarcación en la que está instalado, al ciclo de trabajo previsto por el patrón y a cualquier carga auxiliar que pueda añadirse. Como siempre, es importante comprender la base de los datos, y profundizar en los detalles técnicos y las notas a pie de página para poder interpretarlos de forma adecuada.