¿Un motor más potente usa menos combustible para una carga específica que un motor menos potente?

Esto es cierto.

Considere la imagen de un panel de instrumentos híbrido RAV4:

En él, a la izquierda, ves que cerca del 50% de la carga máxima, estás en la región ECO y entre el 50-100% de la carga máxima, estás en la región PWR (el extremo superior de la región PWR va acompañado de sonidos fuertes provenientes de un motor de altas revoluciones).

O considere la línea de operación básica del motor de un motor Toyota Prius (los contornos son contornos g/kWh):

Puede ver que la eficiencia máxima es de aproximadamente 2100 RPM y 100 Nm, mientras que la potencia máxima es de 5500 RPM y 130 Nm. La eficiencia máxima ocurre a 2100*100/(5500*130) = 0,29 veces la carga máxima. O, aproximadamente el 30%.

Ahora, ¿por qué la región ECO en el híbrido RAV4 tiene hasta el 50 % de la carga máxima y no hasta el 30 % de la carga máxima? Esto se explica por el impulso eléctrico inherente a los híbridos (proporciona la brecha del 20%).

Si no tienes un híbrido, lo ideal es que utilices el 30 % de la potencia máxima del motor. Esto significa aceleración casi completa, pero no completamente, y 2000-2500 RPM. Un motor más pequeño debe operarse más cerca de la aceleración máxima y a RPM más altas, lo que significa marchas más bajas. Esto desperdicia combustible.

Un buen ejemplo: Toyota Yaris cambió de motor de 1,33 litros a 1,5 litros y las emisiones y el consumo de combustible se redujeron. ¡El motor más grande de hecho era más económico!

Otro buen ejemplo: el Toyota Prius solía ser de 1,5 litros, pero hoy en día es de 1,8 litros. El consumo de combustible se redujo después de cambiar a un motor más grande.

Por supuesto, esto se aplica solo a motores de tamaño razonable. Si desea un V8 de 5 litros en un automóvil de pasajeros, no debe esperar un bajo consumo.

Es bastante complejo si realmente entra en los detalles, pero en un sentido simplificado, su colega tiene razón.

conduciendo en las montañas

Siento que este es un punto clave: conducir en montañas significa, por definición, que estás conduciendo en altitud, ya que la altitud aumenta la densidad de las gotas de aire. Esto significa que para un volumen dado de aire que toma el motor, hay menos oxígeno disponible para la combustión. Dada la necesidad de mantener una ración de aire-combustible constante (-ish), esto significa que el motor inyectará menos combustible (¡no tiene sentido inyectar más de lo que puede quemar!) por ciclo para que obtenga menos potencia. Esto significa que tendrá que aumentar las RPM del motor para hacer la misma cantidad de trabajo y esto significa que usará más combustible (cada RPM vendrá con las "pérdidas" de potencia asociadas de superar fricción en el motor, acelerando la masa de los pistones, etc.) solo para obtener la misma aceleración del motor.

Por lo general, un motor más grande producirá proporcionalmente más potencia que uno más pequeño (en igualdad de condiciones), por lo que, aunque tendrá que reducir el consumo de combustible de la misma manera, obtendrá más potencia por revolución que el motor más pequeño y por lo tanto, no tendrá que aumentar tanto para obtener la misma potencia que el motor más pequeño. Y si el camión pesa lo mismo que el motor más pequeño y está tratando de hacer la misma velocidad, entonces necesitará la misma cantidad de energía, pero potencialmente el motor más grande podría producir esa energía de manera más eficiente y, por lo tanto, tener menos el consumo de combustible.

Hace algunos años, Top Gear colocó un Toyota Prius en la pista y lo condujo a toda máquina. Justo detrás del Prius estaba un BMW M3, que conducía en las huellas de las ruedas del Toyota, igualando su ritmo exactamente.

El Toyota es un híbrido de 1,5 litros, el M3 es un gasolina de 6 cilindros en línea de 3,2 litros. El Prius devolvió una cifra de consumo de combustible de 17,2 millas británicas por galón, el M3 devolvió 19,4 millas británicas por galón. La razón dada para esto fue que el Prius estaba siendo conducido absolutamente a fondo, en sus límites. Pasaba una cantidad significativa de su tiempo con el pedal del acelerador aplastado contra la alfombra. Para que el M3 igualara el ritmo del Toyota, efectivamente tuvo que ser frenado.

Ahora considere su ejemplo, un camión que sube y baja por una región montañosa. Cuando el camión está transportando un remolque completamente cargado por una pendiente pronunciada, usará una cantidad significativa de aceleración. Subir colinas pone a prueba los motores de los vehículos y los dos factores que afectan esto son el peso del vehículo y la cantidad de potencia que el motor es capaz de producir. Un motor pequeño, trabajado duro, usará combustible y generará calor a un ritmo más rápido que un motor más potente que iguale el ritmo del camión con motor más pequeño.

Es posible que un vehículo con un motor más pequeño utilice menos combustible que un homólogo más potente, pero eso solo se debe a que lleva más tiempo recorrer la distancia.

Cosas como el par (recorrido del cigüeñal, longitud de la biela), número de cilindros, diseño de la culata, eficiencia y diseño del sistema de escape, etc., etc., afectan la eficiencia de combustible de un vehículo.

Si todos los vehículos fueran igualmente eficientes, los fabricantes no publicarían cifras de consumo de combustible ni competirían en eficiencia y emisiones.

Para producir una cantidad fija de energía, con una eficiencia del 100 %, debe quemar una cantidad fija de combustible por minuto.

Puede quemarlo en una gran cantidad de pequeñas cantidades en los cilindros de un motor pequeño, o en una cantidad menor de grandes cantidades en los cilindros de un motor grande que funciona a RPM más bajas.

La cantidad de energía mecánica desperdiciada en la fricción en el motor y la transmisión aumenta con RPM más altas. Por ejemplo, si la fuerza de fricción entre los pistones y el bloque de cilindros es aproximadamente constante, si duplica las RPM, los pistones se mueven el doble en la misma cantidad de tiempo y la misma fuerza realiza el doble de trabajo.

Entonces, al menos dentro de un rango práctico, un motor de mayor capacidad en el mismo vehículo tenderá a ser más eficiente en combustible.

Tenga en cuenta que la energía térmica desperdiciada como calor del tubo de escape y en el sistema de enfriamiento del motor depende más de la tasa de consumo de combustible que de las RPM del motor, por lo que la historia completa es más complicada que la anterior.

Toda esta lógica falla si el tamaño del motor es tan grande que las RPM "eficientes" serían imprácticamente bajas. Además, los motores grandes pesan más que los motores pequeños y necesitan producir más potencia para dar la misma tasa de aceleración al vehículo más pesado. El efecto del aumento de peso es más significativo para los automóviles que para los camiones grandes, por supuesto.