Pérdida de potencia del automóvil
En la ficha técnica de un automóvil podemos leer que el motor desarrolla 200 CV, 250 CV o incluso más.
Sin embargo, cuando ese mismo vehículo se mide en un banco de potencia de rodillos, la cifra registrada en las ruedas suele ser menor.
Entonces aparece una pregunta bastante lógica:
Si el motor produce 200 CV, ¿por qué las ruedas no reciben exactamente esos mismos 200 CV?
La respuesta está en todo lo que ocurre entre la combustión y el contacto del neumático con el asfalto.
La energía debe pasar por los pistones, el cigüeñal, la transmisión, los rodamientos, los ejes, el diferencial y finalmente las ruedas.
Durante ese recorrido aparecen fricción, calor, resistencia del aceite, pérdidas hidráulicas y otras formas de consumo energético.
Por eso, la potencia que genera el motor nunca llega íntegra a la carretera.
Entender este proceso permite comprender mejor conceptos como pérdida de potencia, eficiencia del tren motriz, potencia al motor y potencia a las ruedas.
¿Qué significa realmente pérdida de potencia?
La pérdida de potencia es la energía que deja de estar disponible para mover el vehículo mientras la fuerza se transmite desde el motor hasta las ruedas.
En un automóvil con motor de combustión interna, el recorrido puede resumirse así:
Combustible → combustión → pistón → biela → cigüeñal → transmisión → eje de transmisión → diferencial → semiejes → ruedas → neumáticos → carretera
Cada una de estas etapas tiene una eficiencia inferior al 100 %.
Pero aquí conviene hacer una distinción importante.
No toda la energía que se pierde dentro de un automóvil puede llamarse estrictamente pérdida de transmisión o drivetrain loss.
Una parte de las pérdidas ocurre antes de que el motor genere potencia útil en el cigüeñal.
Otra parte aparece después, cuando esa potencia ya tiene que llegar a las ruedas.
¿Dónde se pierde la energía?
| Zona del vehículo | Tipo de pérdida | Causa principal |
|---|---|---|
| Combustión | Pérdida térmica | Calor del escape y sistema de refrigeración |
| Admisión y escape | Pérdidas de bombeo | Movimiento de gases dentro y fuera del cilindro |
| Interior del motor | Fricción mecánica | Pistones, segmentos, cojinetes, válvulas |
| Sistemas auxiliares | Pérdidas parasitarias | Bomba de aceite, alternador, aire acondicionado |
| Transmisión | Fricción y pérdidas hidráulicas | Engranajes, cojinetes y lubricante |
| Árboles y ejes | Pérdida mecánica | Juntas, rodamientos y elementos giratorios |
| Diferencial | Fricción de engranajes | Corona, piñón y aceite |
| Neumáticos | Resistencia a la rodadura | Deformación y pequeños deslizamientos |
Lo importante es entender que la potencia no desaparece de golpe en un único componente.
Se va perdiendo poco a poco a lo largo de todo el sistema.
La primera gran pérdida comienza durante la combustión
Antes de hablar de cajas de cambio o diferenciales, tenemos que empezar dentro del motor.
La gasolina o el diésel contienen energía química.
Cuando el combustible se quema, parte de esa energía se transforma en calor y presión dentro de la cámara de combustión.
Esa presión empuja el pistón hacia abajo.
Pero no toda la energía del combustible termina convirtiéndose en movimiento útil.
Una parte importante sale con los gases de escape.
Otra parte se transmite a las paredes del cilindro, a la culata, al refrigerante y al aceite.
Por eso ningún motor de combustión puede convertir el 100 % de la energía química del combustible en trabajo mecánico.
A esta relación se la conoce como eficiencia térmica.
Tecnologías como la inyección directa, el aumento de la relación de compresión, el turbocompresor, la distribución variable o los ciclos Atkinson y Miller buscan precisamente aprovechar mejor la energía disponible.
El motor también consume energía simplemente para respirar
Un motor necesita aspirar aire y expulsar los gases quemados.
Durante la admisión, el pistón debe crear la presión necesaria para introducir aire en el cilindro.
Durante el escape, tiene que empujar los gases hacia el sistema de escape.
Este trabajo consume energía.
Es lo que se conoce como pérdidas de bombeo o pumping losses.
En los motores de gasolina tradicionales, estas pérdidas pueden ser importantes cuando el acelerador está poco abierto.
La mariposa de admisión limita el flujo de aire y el pistón debe trabajar contra esa restricción.
Los sistemas modernos de distribución variable ayudan a reducir parte de este consumo innecesario.
La fricción interna también resta potencia
Dentro del motor hay numerosas superficies en movimiento.
Los segmentos del pistón rozan contra las paredes del cilindro.
El cigüeñal gira apoyado sobre cojinetes.
Las bielas trabajan a gran velocidad.
Los árboles de levas, válvulas, taqués, cadenas o correas de distribución también están en movimiento constante.
Todo contacto genera fricción.
Entre los principales puntos de pérdida encontramos:
- Segmentos de pistón y paredes de los cilindros
- Cojinetes principales del cigüeñal
- Cojinetes de las bielas
- Árboles de levas
- Sistema de válvulas
- Cadena o correa de distribución
- Bomba de aceite
Estas pérdidas se conocen como pérdidas mecánicas por fricción.
Por eso el diseño de los lubricantes y la viscosidad del aceite tienen tanta importancia.
La viscosidad del aceite también influye
El aceite de motor reduce drásticamente la fricción entre las piezas.
Sin embargo, el propio aceite genera resistencia cuando se mueve por el interior del motor.
Cuando está frío, su viscosidad aumenta y cuesta más bombearlo.
Por esta razón muchos motores modernos utilizan aceites relativamente fluidos, como 0W-20 o incluso 0W-16, siempre que hayan sido diseñados para ello.
Esto ayuda a disminuir las pérdidas internas y mejorar la eficiencia.
No significa que deba utilizarse un aceite más fino por cuenta propia.
La especificación del fabricante sigue siendo la referencia principal.
Los sistemas auxiliares también consumen potencia
El motor no dedica toda su potencia a mover las ruedas.
También necesita alimentar distintos componentes del vehículo.
Entre ellos se encuentran:
- Alternador
- Bomba de aceite
- Bomba de refrigerante
- Compresor del aire acondicionado
- Bomba hidráulica de dirección en vehículos antiguos
La energía utilizada para mantener estos elementos funcionando se conoce a menudo como pérdida parasitaria o parasitic loss.
Por ejemplo, en un automóvil de baja cilindrada puede notarse una ligera diferencia de respuesta cuando el aire acondicionado trabaja a plena carga.
El compresor necesita energía, y esa energía procede del motor.
Por este motivo muchos vehículos modernos utilizan bombas eléctricas y dirección asistida eléctrica.
La transmisión tampoco es perfectamente eficiente
Una vez que la potencia sale del cigüeñal, llega a la transmisión.
Aquí comienza lo que normalmente se entiende como pérdida del tren motriz.
Los engranajes trabajan en contacto permanente.
Los cojinetes generan fricción.
Los retenes crean resistencia.
Además, los componentes giratorios tienen que moverse dentro del lubricante de la transmisión.
Ese movimiento del aceite produce una resistencia conocida como churning loss, o pérdida por agitación del lubricante.
En las transmisiones automáticas también existen bombas hidráulicas, embragues internos y convertidores de par.
Los convertidores de par tradicionales pueden permitir cierto deslizamiento entre el motor y la transmisión.
Por eso las cajas automáticas modernas utilizan cada vez más el embrague de bloqueo o lock-up clutch, que crea una conexión más directa cuando las condiciones lo permiten.
Pensamiento intermedio de Kori
Al principio, cuando empecé a estudiar las pérdidas de potencia, pensaba que casi todo ocurría dentro de la caja de cambios.
Pero cuando sigues el recorrido de la energía desde la combustión, cambia completamente la perspectiva.
El motor consume energía para respirar, lubricarse, refrigerarse y mover sus propios componentes.
Después, la transmisión, los ejes y el diferencial siguen añadiendo pequeñas resistencias.
Por eso la cifra de potencia máxima nunca explica por sí sola cómo se siente un automóvil en carretera.
Lo realmente interesante es ver cuánta de esa potencia consigue llegar finalmente al suelo.
El diferencial también genera pérdidas
En un vehículo de propulsión trasera, el recorrido de la potencia suele ser más largo.
De forma simplificada:
Motor → transmisión → árbol de transmisión → diferencial → semiejes → ruedas
Dentro del diferencial trabajan la corona y el piñón.
Los dientes de los engranajes soportan grandes cargas.
También giran rodamientos y otros componentes internos.
Todo ello necesita lubricación.
El aceite del diferencial protege las piezas, pero también crea cierta resistencia viscosa.
A altas velocidades de giro, la agitación del aceite puede aumentar las pérdidas.
¿Por qué un AWD o 4×4 puede tener más pérdidas?
Un sistema de tracción total suele incorporar más componentes que uno de dos ruedas motrices.
Dependiendo del diseño puede incluir:
- Caja de transferencia
- Diferencial central
- Árbol de transmisión adicional
- Diferencial trasero
- Embragues multidisco
- Semiejes adicionales
- Más rodamientos y retenes
Cuantos más componentes giran, mayor es el número de puntos donde pueden aparecer fricción y resistencia del lubricante.
Sin embargo, los sistemas AWD modernos han evolucionado mucho.
Algunos pueden desacoplar parte del tren de transmisión cuando no se necesita tracción en las cuatro ruedas.
Esto reduce las pérdidas durante una conducción estable.
Por eso no es correcto afirmar que todos los vehículos AWD pierden automáticamente un porcentaje determinado de potencia.
Consejo en una línea: la pérdida de potencia no es un porcentaje fijo; cambia con las RPM, la carga, la marcha seleccionada, la temperatura del lubricante y el diseño de la transmisión.
Potencia del motor y potencia a las ruedas no son lo mismo
En los países de habla hispana podemos encontrar distintas unidades y formas de expresar la potencia.
En Europa es habitual hablar de CV, mientras que también encontramos hp o PS en determinadas fichas técnicas y publicaciones.
En el mundo de los bancos de potencia también aparece el término WHP, Wheel Horsepower, especialmente en contenidos procedentes de Estados Unidos.
La potencia declarada por el fabricante se refiere normalmente a la potencia del motor.
En cambio, un banco de rodillos mide la potencia disponible en las ruedas motrices.
Por eso normalmente:
Potencia del motor > Potencia en las ruedas
Supongamos que un motor produce 200 CV y, para simplificar el ejemplo, el tren motriz tiene una eficiencia del 88 %.
La operación sería:
200 × 0,88 = 176 CV
Teóricamente quedarían unos 176 CV en las ruedas.
Los 24 CV restantes se habrían consumido en diferentes formas de pérdida dentro del sistema de transmisión.
No debemos convertir cualquier diferencia del banco en pérdida real
Aquí hay una trampa bastante frecuente.
No podemos tomar simplemente la potencia oficial del fabricante, compararla con el resultado de un banco de rodillos y afirmar que toda la diferencia corresponde a la transmisión.
Una prueba en banco depende de muchas variables.
Entre ellas:
- Temperatura ambiente
- Humedad
- Presión atmosférica
- Densidad del aire
- Presión de los neumáticos
- Temperatura de los neumáticos
- Temperatura del aceite de la transmisión
- Marcha utilizada
- Tipo de banco
- Método de corrección
- Forma de sujetar el vehículo
Dos bancos distintos pueden mostrar cifras diferentes incluso utilizando el mismo automóvil.
Por esta razón suele ser más útil comparar un vehículo en el mismo banco antes y después de una modificación.
¿Cómo se calcula la eficiencia del tren motriz?
El concepto básico puede expresarse con una fórmula sencilla:
Eficiencia del tren motriz = Potencia en las ruedas ÷ Potencia de entrada × 100
Imaginemos:
Potencia del motor: 250 CV
Potencia en las ruedas: 225 CV
El cálculo sería:
225 ÷ 250 × 100 = 90 %
En este ejemplo simplificado, la eficiencia sería del 90 %.
La pérdida sería aproximadamente del 10 %.
Pero esto no significa que el vehículo pierda siempre exactamente un 10 %.
La pérdida cambia con las RPM y la carga
Este punto es importante.
Algunas pérdidas se comportan casi como una carga relativamente constante.
Los retenes, rodamientos y determinadas bombas necesitan cierta cantidad de energía simplemente para funcionar.
Cuando el motor genera poca potencia, esa pérdida puede representar un porcentaje relativamente grande.
Cuando produce mucha potencia, la misma pérdida absoluta representa una proporción menor.
Pero cuando aumentan mucho las RPM, también pueden crecer:
la fricción de los engranajes,
la resistencia de los rodamientos,
la agitación del aceite,
y otras pérdidas de tipo hidráulico.
Por eso los ingenieros suelen analizar la eficiencia mediante un mapa de eficiencia, teniendo en cuenta velocidad de giro y par, en lugar de utilizar un único porcentaje.
El frío también aumenta las resistencias
En una mañana fría es habitual que el automóvil parezca algo más pesado durante los primeros kilómetros.
El aceite del motor está más viscoso.
El aceite de la transmisión también.
El lubricante del diferencial ofrece mayor resistencia.
Además, la presión de los neumáticos suele disminuir con temperaturas bajas.
Esto aumenta la resistencia a la rodadura.
Cuando el motor, la transmisión y los lubricantes alcanzan su temperatura normal, parte de esa resistencia disminuye.
Esta es también una de las razones por las que los trayectos muy cortos durante el invierno suelen mostrar consumos más elevados.
La pérdida no termina cuando la potencia llega a las ruedas
Incluso cuando el par llega al neumático, todavía no toda la energía se convierte en movimiento hacia delante.
Los neumáticos se deforman constantemente al rodar.
La zona de contacto con el asfalto se aplasta y posteriormente recupera su forma.
Durante esta deformación una parte de la energía se convierte en calor.
Esto forma parte de la resistencia a la rodadura.
En aceleraciones fuertes también puede existir cierto deslizamiento entre el neumático y el pavimento.
Y a medida que aumenta la velocidad aparece otro enemigo importante:
la resistencia aerodinámica.
Por eso la eficiencia total de un automóvil no depende únicamente del motor o la transmisión.
Ejemplo realista: por qué un coche de 200 CV marca menos en el banco
Imaginemos un automóvil de propulsión trasera con 200 CV declarados.
Primero se quema el combustible.
Parte de su energía desaparece como calor por el escape y el sistema de refrigeración.
El resto genera presión sobre los pistones.
Dentro del motor aparecen pérdidas por fricción.
El cigüeñal también debe mover bombas y sistemas auxiliares.
La potencia llega después a la transmisión.
Allí intervienen engranajes, rodamientos, aceite y, según el diseño, elementos hidráulicos.
Luego la fuerza pasa al árbol de transmisión.
Después entra en el diferencial.
Finalmente llega a los semiejes y a las ruedas.
El banco de rodillos mide lo que queda después de recorrer toda esa cadena mecánica.
Por eso es completamente normal que la cifra medida en las ruedas sea inferior a la cifra oficial del motor.
¿Qué ocurre cuando reducimos las pérdidas?
Reducir las pérdidas significa aprovechar mejor la potencia ya disponible.
Esto puede beneficiar:
- Consumo de combustible
- Aceleración
- Respuesta del vehículo
- Gestión térmica
- Autonomía de vehículos eléctricos
Por eso los fabricantes trabajan continuamente en tecnologías como:
- Segmentos de pistón de baja fricción
- Lubricantes de baja viscosidad
- Rodamientos más eficientes
- Geometría optimizada de engranajes
- Bombas de agua eléctricas
- Dirección asistida eléctrica
- Mayor uso del bloqueo del convertidor de par
- Diferenciales más eficientes
- Sistemas de desconexión del tren motriz
La evolución del automóvil no consiste únicamente en producir motores más potentes.
También consiste en desperdiciar menos energía.
Eficiencia térmica, eficiencia del tren motriz y eficiencia total
Conviene separar estos tres conceptos.
| Concepto | Qué representa |
|---|---|
| Eficiencia térmica del motor | Cuánta energía del combustible se convierte en potencia mecánica |
| Eficiencia del tren motriz | Cuánta potencia mecánica consigue llegar a las ruedas |
| Eficiencia total del vehículo | Cuánta energía termina utilizándose para desplazar el automóvil |
El calor que sale por el escape no es lo mismo que la fricción dentro de un diferencial.
Y ninguna de esas pérdidas es exactamente lo mismo que la resistencia aerodinámica.
Separar estos conceptos permite entender mucho mejor cómo utiliza la energía un automóvil.
Para comprender bien la pérdida de potencia, primero conviene conocer todo el recorrido que sigue la energía desde el motor hasta las ruedas.
El movimiento alternativo de los pistones se transforma en giro mediante el cigüeñal, y después el par pasa por la transmisión, el árbol de transmisión y el diferencial hasta llegar finalmente a las ruedas.
Si quieres ver todo este proceso desde el principio, 「Sistema de potencia del automóvil: cómo el pistón mueve las ruedas」 explica paso a paso cómo se genera la potencia y cómo se transmite a través del tren motriz, lo que ayuda a entender mucho mejor dónde aparecen las pérdidas de energía.
Pensamiento de Kori
Cuando hablamos de prestaciones, casi siempre empezamos por los caballos de potencia.
Es comprensible.
Una cifra grande llama la atención y permite comparar motores de forma rápida.
Pero cuando seguimos el recorrido completo de la energía, la potencia máxima deja de ser la única protagonista.
La combustión mueve los pistones.
Los pistones hacen girar el cigüeñal.
El cigüeñal envía el par a la transmisión.
La fuerza continúa por ejes, engranajes, rodamientos, diferenciales y neumáticos hasta que finalmente llega al suelo.
En cada etapa se pierde una pequeña cantidad.
Por eso creo que una parte muy interesante de la ingeniería del automóvil no consiste únicamente en crear más potencia.
Consiste en hacer llegar al asfalto la mayor cantidad posible de la potencia que ya hemos creado.
Cuando se entiende esta idea, la diferencia entre potencia del motor y potencia a las ruedas deja de parecer extraña.
Se convierte simplemente en el resultado natural de un sistema mecánico real.
Pérdida de potencia del automóvil Referencias
- U.S. Environmental Protection Agency — Vehicle Energy Balance and Energy Loss Analysis
- U.S. Department of Energy — Vehicle Technologies Office
- SAE International — Drivetrain Energy Distribution and Power Loss Research
- SAE International J2453 — Manual Transmission and Transaxle Efficiency and Parasitic Loss Measurement
- SAE International — Differential and Driveline Power Loss Studies
- SAE International — Transmission Efficiency and Lubricant Churning Loss Research
Pérdida de potencia del automóvil Preguntas frecuentes
1. ¿Un motor de 200 CV entrega realmente 200 CV en las ruedas?
Normalmente no.
La potencia del motor tiene que pasar por la transmisión, los rodamientos, los ejes, el diferencial y otros componentes antes de llegar a las ruedas.
Durante ese recorrido aparecen pérdidas por fricción, resistencia del aceite y funcionamiento de diferentes elementos mecánicos.
Por eso la potencia medida en las ruedas suele ser inferior a la potencia declarada del motor.
2. ¿La diferencia entre la potencia oficial y la del banco corresponde exactamente a la pérdida del tren motriz?
No necesariamente.
La medición en un banco de rodillos puede verse afectada por la temperatura, la presión atmosférica, los neumáticos, la marcha utilizada, la temperatura de la transmisión, el tipo de banco y el método de corrección.
Por eso esa diferencia puede servir como referencia aproximada, pero no siempre representa una medición exacta de las pérdidas internas.
3. ¿Un vehículo AWD o 4×4 pierde siempre más potencia que uno FWD o RWD?
Los sistemas de tracción total suelen incorporar más componentes giratorios, por lo que pueden tener más puntos de fricción y resistencia.
Sin embargo, los diseños modernos pueden desconectar parte del sistema cuando no es necesario.
Por eso no existe un porcentaje fijo de pérdida que pueda aplicarse a todos los vehículos FWD, RWD, AWD o 4×4.
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Una nueva idea cada día nos ayuda a entender mejor el mundo.
Hasta la próxima historia de ciencia — Curious KoriScience