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Qué hacen los constructores de automóviles para reducir el consumo de combustible, las emisiones de CO2 y de gases contaminantes

Patricia Villoslada Prado

Ingeniera de ICAI y de l'Ecole Centrale de Lyon, promoción 2000. Master en Motores de Combustión Interna en el Instituto Francés del Petróleo (París). Jefe del Servicio “Emisiones, Prestaciones y Consumo” en PSA Peugeot-Citroën (centro de estudios de La Garenne, París). Responsable de la definición de emisión de CO 2 en nuevos vehículos y del desarrollo de modelos matemáticos para previsión del consumo y determinación de especificaciones técnicas del motor.

Comentarios a: [email protected] 22

Algunas definiciones: consumo de carburante, emisiones de CO2 y emisiones de gases contaminantes En primer lugar, vamos a ver algunos conceptos básicos relativos al funcionamiento del motor de combustión interna que permitirán comprender la relación entre el consumo de carburante, las emisiones de CO2 y las emisiones de gases contaminantes. Para que la combustión se produzca, tanto en motores de gasolina como en diésel, el combustible debe encontrarse con el oxígeno y ser oxidado por éste. En el caso de los motores gasolina de inyección indirecta, la mezcla del combustible y del oxígeno se hace en los tubos de admisión a los cilindros, justo antes de las válvulas. En el caso de los motores de inyección directa gasolina o diésel, el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión. La combustión es iniciada por las bujías en los motores gasolina o por la presión generada en la compresión en los motores diésel. Químicamente, el carburante es oxidado en una reacción exotérmica produciendo fundamentalmente CO2 y H20 y otros componentes minoritarios: CO, HC (hidrocarburos no quemados), óxidos de nitrógeno (NOx)…

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El equilibrio del carbono indica que todo carbono encontrado en el escape del vehículo procede necesariamente del combustible. De esta manera, conociendo la composición y la cantidad de los gases de escape, a través de una fácil proporción, se puede deducir el consumo de carburante. Entre los gases resultantes de la combustión, el CO2 es, en muy alta proporción, el componente mayoritario, así que, en una primera aproximación se puede decir que las emisiones de CO2 por kilómetro recorrido del vehículo son proporcionales al consumo de combustible por kilómetro. Sin embargo, la cantidad emitida de los otros gases contaminantes (CO, HC, NOx, par tículas) depende de las condiciones en que se produce la combustión. Factores como el reglaje del momento exacto en que se produce la inyección dentro del ciclo, el diámetro de los agujeros de los inyectores, el reglaje del alumbrado de las bujías, la calidad del combustible, la forma de la cabeza del pistón y la forma de la cámara o las condiciones de presión y temperatura dentro del cilindro modifican la cantidad y la composición de gases contaminantes en el escape. Estos gases contaminantes son nocivos para la salud, sobretodo para el sistema respiratorio

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Figura 1. CAFE Europa por constructor

230 Consumo normalizado (CO2 g/km)

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210 190

+ + * +

* +

170

+ +

+

+

+

+

150 130

Recta de tendencia

+ *

+ *

146,9 142,8

130

1995 = 185 g á 2008 = 140 g

110

Recta de tendencia

Recta de tendencia

2008 = 140 g á 2012 = 140 g

2012 = 120 g á 2050 = 0 g

90 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VAG + FORD

* GM

TOYOTA

BMW

PSA

FIAT

ACEA

RENAULT

DAIMLER CHRYSLER

y cardiovascular, produciendo irritaciones, inflamaciones de los bronquios, acentuando los síntomas del asma, dolores de cabeza… algunos de estos gases son, además, precursores en la producción de ozono, que es, a su vez, un gas de efecto invernadero, que tanto preocupa en estos días. Las normas europeas limitan la emisión de gases contaminantes de los vehículos de transporte privados o utilitarios y, sin embargo, por ahora, no hay un límite establecido para las emisiones de CO2 (o lo que es lo mismo, para el consumo de combustible). El CO 2 es el principal responsable del “efecto invernadero” y de sus efectos directos: el calentamiento de la Tierra y los desarreglos climáticos. La sensibilización a este problema, así como la subida del precio del combustible, está cambiando muy rápidamente la mentalidad de los consumidores de coches, de los ciudadanos en general y de los legisladores en la Unión Europea, que empiezan a lanzar medidas iniciativas para los consumidores y a hacer presión sobre los constructores de coches para que fabriquen vehículos más económicos.

El contexto actual: normas e incitaciones de la Unión Europea, las motivaciones del cliente • La presión de la Comisión Europea sobre los constructores de coches para la reducción de emisiones de CO2

La reducción del CO2 emitido por los vehículos es una de las prioridades de la Comisión

Europea. Ésta exige a los constructores de automóviles un esfuerzo creciente en el diseño de sus vehículos para que cada vez sean más económicos en el consumo de combustible. El indicador matemático utilizado por la Comisión Europea es el CAFE (Corporate Average Fuel Economy). Es la media ponderada por el volumen de ventas de las emisiones de CO2 del parque nuevo de vehículos vendido por un constructor. Así, un coche cuyas emisiones de CO2 sean elevadas pero poco vendido, tendrá un peso en el CAFE bastante limitado, mientras que un coche fuertemente vendido deberá tener un consumo reducido si el constructor quiere limitar su CAFE global. Este indicador refleja bien las emisiones de CO2 globales realmente recibidas por la atmósfera. Fue el congreso de EE UU el primero en utilizarlo en 1975 al imponer un límite máximo de CAFE para reducir el consumo de petróleo después de la gran crisis de 1973. Según muchos expertos, gracias a la regulación del CAFE, las emisiones de CO2 de los vehículos en EE UU se han mantenido más o menos constantes desde principios de los años 80, a pesar de la bajada del precio del petróleo. Volviendo a Europa, en el año 1999, la Asociación de Constructores Europeos del Automóvil (ACEA) se comprometió voluntariamente a alcanzar antes del 2008, un CAFE de 140 g/km. Este compromiso fue aceptado por la Comisión Europea en febrero 1999.

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• La incitación fiscal y la motivación de los compradores de coches para la reducción de CO2

Figura 2. Etiqueta consumo carburante Consumo de carburante y emisión de CO2 Marca: Citroën Modelo: C3 Versión: 5P 1.4 HDI Energía: Diésel Consumo

Consumo mixto:

de carburante

4,2 l/100 km Consumo urbano: 5,3 l/100 km Consumo no urbano: 3,6 l/100 km

CO2 Emisiones escasas de CO 100 g/km

110 g/km

2

A

101 a 120 g/km B

121 a 140 g/km

C

B 141 a 160 g/km

161 a 200 g/km

201 a 250 g/km

250 g/km

D

E

F

G

Emisiones elevadas de CO2

En febrero del 2007, la Comisión Europea fijó un nuevo objetivo todavía más ambicioso: un CAFE de 120 g/km en 2012. Los constructores de automóviles se comprometieron a hacer enormes esfuerzos, pero pidieron igualmente que las instituciones públicas y otros fabricantes se unieran al esfuerzo. El acuerdo final es el siguiente: • Los constructores de automóviles deben alcanzar un CAFE de 130 g/km vía la mejora del diseño de sus vehículos (rendimiento del motor, caja de cambios, características el vehículo…). • Los 10 g/km complementarios serán alcanzados gracias a otras tecnologías: indicador de cambio de marcha, mejora de los neumáticos, sistemas de climatización más eficaces el uso de biocombustible… La Figura 1 muestra la evolución del CAFE desde 1995 hasta hoy para cada uno de los constructores que venden coches en Europa, así como la trayectoria necesaria para alcanzar los 120 g en 2012. 24

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La Comisión Europea, además de exigir esfuerzos a los constructores de automóviles, quiere incitar a los compradores de coches a elegir modelos más eficientes. Una buena elección pasa por una buena información, por eso la Unión Europea exige a los vendedores de turismos nuevos que faciliten a los eventuales compradores información sobre el consumo de combustible y las emisiones de CO2. Esa información debe figurar en el etiquetado del vehículo, en los carteles y en todo el material de publicidad. El tipo de etiquetado elegido es del mismo formato que el ya existente para los electrodomésticos: una escala de mayor a menor eficiencia energética, graduado en letras y colores de la “A” a la “G”. Así, en el concesionario de coches, debe aparecer para cada vehículo una etiqueta como en la Figura 2. El “rendimiento energético” reflejado en estas etiquetas depende únicamente de las emisiones de CO2 globales del vehículo. Un coche pequeño, por ser pequeño, tendrá más facilidades para obtener una etiqueta de bajo consumo que uno grande, aunque el rendimiento energético del motor sea equivalente o incluso menor. Éste es uno de los puntos de batalla entre los constructores europeos. Aquéllos cuyo mayor volumen de ventas corresponde a coches pequeños, como los franceses, están interesados en este tipo de indicador. Los alemanes, cuyos coches son de media más grandes, defienden un indicador del tipo g CO2/km dividido por la masa del vehículo, o por la superficie proyectada en el suelo. Parece claro que desde un punto puramente ecológico, teniendo en cuenta que una gran mayoría de los trayectos en coche en Europa se hacen sin pasajeros, el indicador más coherente es el utilizado actualmente, pues refleja directamente la cantidad de CO2 recibido por la atmósfera. Además, bajo incitación de la Unión Europea, la mayoría de los países han puesto en marcha una fiscalidad vinculada con las emisiones de CO2, ya sea el impuesto de matriculación, de circulación o incluso, es el caso de Bélgica, un mecanismo de desgravación del impuesto sobre la renta. Las flotas de vehículos profesionales son objeto de grabaciones-incitaciones importantes. El último agente que incita a la reducción del consumo, y no el menos importante, es la subida del precio del carburante. El cliente

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• Cómo se mide el consumo y las emisiones de CO2 y de gases contaminantes

Hagamos un pequeño apar tado sobre la manera de medir el consumo, las emisiones de CO2 y los gases contaminantes. En cuanto al consumo, existen muchas medidas del consumo. Las revistas del automóvil, las asociaciones de consumidores y diferentes instituciones no oficiales hacen medidas de consumo de los vehículos. Para un mismo vehículo, según el tipo de circuito, el consumo de un coche puede variar del simple al doble (ver Figura 5). Por eso, la norma europea, mide en consumo según un ciclo bien definido . • Las emisiones de CO2 y gases contaminantes oficiales Antes de la puesta en venta de un vehículo en Europa (Japón, EE UU y China tienen sus propias normas), el constructor debe realizar la medida del consumo de su vehículo delante de una de las instituciones homologadas por la Unión Europea. Este consumo deberá ser anunciado claramente en la exposición de venta del vehículo, como ya hemos explicado anteriormente. El ciclo es siempre el mismo para todos los vehículos, y está definido por un perfil de velocidad en función del tiempo. Esta compuesto de dos partes: ECE, representativo de

Figura 3. Evolución límites reglamentarios de emisión de gases contaminantes gasolina 100 90

97,8

94,1

94,1

92,7

96,0 92,0

92,0

80

98,0

80,3

70 60 50,0

50 40

34,9

Referencia R15 1971 ex Vehículo de gasolina 1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

30 19,7

20

24,8 14,9

10

CO

0,0

0 1965

1970 1975

1980

1985

1990

1995

2000

HC

2005

2010

2015

Figura 4. Evolución límites reglamentarios de emisión de gases contaminantes diésel 100 90

97,3

96,6

94,7

87,1

89,7

85,5

80

95,8 94,5

94,5

91,1

82,1

82,1

82,1

70 64,3

63,5

60

64,3

60,5

50 42,9

40

42,9

Referencia R15 1971 ex Vehículo de gasolina 1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

30 20

CO

10

0,0

0,0

0 1980

1985

0,0

1990

HC + Nox

partículas

0,0

0,0

1995

2000

2010

2005

2015

Figura 5. Diferentes tipos de consumo vehículos 14

Vehículo MI 1400 cm3 de gasolina 11,7

12 9,7

10 8 6,9 6

7,1

7,5

8

8,5

8,7

8,8

11,9

10,2

8,8

6

4 2 0 au to Eu pi ro st a pa BU D EE C U U m ix to Jap on EE 15 U U Pr c en iu da sa d -C ar re Eu t ro er pe a o 99 1 00 Jap ón Pr 1 0en 15 sa -a ut op Pr ist en a sa -M ix ta Jap ón Pr en 10 sa -C iu da Eu d ro pa EC E

Las emisiones de gases contaminantes están limitadas en Europa para los motores gasolina desde el año 70, y desde el 82 para los motores diésel. Desde que la norma existe, las emisiones de los motores diésel han sido reducidas en un 95%, y en un 98% en los motores gasolina, lo que corresponde aproximadamente a dividir por 2 las emisiones ¡cada cinco o seis años! Las últimas normas aprobadas son las llamadas EURO 5 y EURO 6, con las que se endurecen todavía más los límites máximos. La norma EURO 5 será aplicada a partir de septiembre 2009 para los nuevos modelos, y en enero 2011 para todos los vehículos vendidos nuevos. La norma EURO 6 se aplicará aproximadamente 5 años más tarde. Los gases contaminantes limitados son: CO, HC (metálicos y totales), NOx y partículas. Las Figuras 3 y 4 permiten ver la evolución de la norma en el tiempo.

Reducción de las emisiones (%)

• La presión sobre la emisión de gases contaminantes

una conducción en ciudad y realizado cuatro veces consecutivas; y EUDC, representativo de la conducción en las afueras de la ciudad (ver Figura 6).

Reducción de las emisiones (%)

hoy en día esta mucho mas atento al consumo de su vehículo que hace unos años.

Consumo (l/100 km)

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U U

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EE

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res al vehículo (fundamentalmente la fuerza aerodinámica, el rozamiento de los neumáticos con la carretera y la masa inercial del vehículo en las fases de aceleración y deceleración), gracias a un freno eléctrico o hidráulico. Durante este ciclo, los gases de escape son recogidos y analizados. Se miden las emisiones de CO2 y de gases contaminantes.

20

Cómo disminuir el consumo

10

• Mejorando la definición del vehículo

Figura 6. Perfil del ciclo oficial Ciclo ECE

60 50 40

0

0

50

100

200

150

250

Tiempo (s)

Ciclo EUDC

140 120 100 80 60 40 20 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400≠

Tiempo (s)

Figura 7. Evolución de la masa media en gasolina y diésel La masa de los vehículos no deja de crecer desde 1984, lo cual se debe en parte al aumento de la seguridad y a la multiplicación de los equipos de confort (ventanillas eléctricas, climatización) que compensan la pérdida de peso relacionada con el aligeramiento de los materiales. 1400 1300 1200 1100 1000 900

19

84 19 8 19 5 86 19 87 19 88 19 8 19 9 90 19 9 19 1 9 19 2 93 19 94 19 95 19 9 19 6 97 19 9 19 8 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05

800

Total general

Total gasolina

Total diésel

Para que la medida sea repetitiva, no se realiza en pista sino sobre un banco de rodillos. Como el vehículo permanece físicamente a velocidad nula, el banco simula las fuerzas exterio26

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DISMINUYENDO LA MASA

La disminución de la masa tiene un “efecto virtuoso sobre la masa”. Cuando se ganan kilos en un coche, se puede reducir la masa del equipo de frenado, ya que éste será dimensionado para frenar menos inercia. El mismo círculo virtuoso se produce sobre el dimensionamiento de la estructura para la seguridad en caso de choque. Cuanta menos masa tenga el vehículo, menos energía es necesario absorber en caso de choque, y menos material absorbente será necesario integrar en la estructura. El sistema de enfriado de aire y agua puede igualmente ser reducido al reducir la masa del vehículo puesto que la situación dimensionante, que es el vehículo a su carga máxima en cuesta o remolcando una caravana, la necesidad de potencia del motor será menor y por tanto, la necesidad de disipación de energía será menor. Se puede reducir entonces el tamaño del radiador, de los ventiladores… Otro efecto virtuoso de la masa se produce en los motores diésel, a través de la emisión de gases contaminantes. Un coche más ligero consumirá menos combustible y producirá, por simple proporción, menos gases contaminantes. En los motores diésel, el reglaje de la combustión es un equilibrio entre el consumo y la emisión de NOx, de manera que si la emisión de contaminantes es baja, se puede optimizar este compromiso en favor del consumo. Al final, la reducción de 100 kg en un coche reduce el consumo entre 0,15 y 0,25 l/100 km (unos 4 a 7g de CO2 en gasolina y diésel). La tendencia del mercado ha sido globalmente al aumento constante de la masa debido a la multiplicación de equipamientos para el confort (climatización, motores eléctricos para el elevalunas, el reglaje de los asientos) el dimensionamiento para la seguridad en caso de choque, la presencia de airbags… La utilización de materiales menos pesados, aunque la ha reducido, no ha conseguido equilibrar esta tendencia.Todo parece indicar que, bajo

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Figura 8.Tipos de dirección asistida HIDRÁULICA

ELECTRO-HIDRÁULICA

ELÉCTRICA Calculador

Depósito Bomba

Circuito Hidráulico

Mecanismo Válvula

Mecanismo

Motor Válvula

Captador de par

Electrobomba (motobomba, electrónica, depósito, soporte) Reductor de marchas y tornillo sin fin

Circuito Hidráulico

Mecanismo

Consumo: 0,2 - 0,3 1/100 (5 - 8 g/km CO2)

la presión creciente sobre las emisiones de CO2, esta carrera se esté calmando. En la Figura 6 se puede ver la evolución de la masa desde 1984 en gasolina y diesel. MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LOS NEUMÁTICOS

Los neumáticos son los responsables del 1520% del consumo de un coche, pero son también el elemento de unión del coche con la carretera. La definición del neumático impacta directamente las prestaciones del vehículo en la estabilidad en las curvas, la distancia de frenado, el confort vibratorio, la emisión de vibraciones acústicas, la duración de vida del neumático… y estas prestaciones son muchas veces contrarias a un neumático de alto rendimiento energético. Se está produciendo actualmente una gran evolución técnica en los neumáticos. El fabricante Michelin parece ser el más adelantado, y propone actualmente una gama de neumáticos que reducen el consumo guardando constantes el resto de prestaciones. Estos nuevos neumáticos pueden reducir el consumo entre 4 y 7 g CO2/km respecto a neumáticos clásicos. REDUCIENDO EN COEFICIENTE AERODINÁMICO SCX

La fuerza externa al vehículo debido a rozamiento aerodinámico es 1/2 .
. S . Cx, siendo S la superficie frontal del coche y Cxel coeficiente aerodinámico. La fuerza aerodinámica se puede reducir mejorando la superficie del coche, a través del diseño de la silueta global, pero también reduciendo el Cx, también a través del diseño, creando formas aerodinámicas fluidas o a través de componentes como alerones o placas aerodinámicas en el bajo del coche. Para un mismo concepto de coche (monovolumen pequeño, gran berlina, deportivo…),

Consumo: + 0,1 1/100 (1 - 3 g/km CO2)

Consumo: + 0,02 1/100 (0,5 g/km CO2)

un SCx bien optimizado puede hacer ganar entre 2 y 4 g/ CO2 sobre las emisiones totales de CO2 en el ciclo oficial. A más altas velocidades, el beneficio es mayor, ya que la potencia aerodinámica crece con el cubo de la velocidad. DISMINUYENDO LOS ROZAMIENTOS INTERNOS DEL VEHÍCULO

Los principales responsables del rozamiento interno del vehículo son los rodamientos y el rozamiento residual de las plaquetas de freno. Para reducir el rozamiento de los rodamientos, los constructores de coches exigen continuas mejoras a sus proveedores. En cuanto a las plaquetas de freno, el problema es que muchas veces las plaquetas de freno pueden no volver a su posición inicial después de un frenado, produciendo un rozamiento residual con el disco. Para que el conductor no tenga la impresión de tener una “carrera muerta” en el recorrido del pedal del freno y que la frenada sea eficaz con los primeros milímetros de desplazamiento del pedal, la distancia entre las plaquetas y el disco se reduce lo máximo posible, lo que aumenta las posibilidades de que el rozamiento se produzca. El diseño de un coche es un constante compromiso entre muchas prestaciones: el consumo por supuesto, pero también distancia de frenado, capacidad en las curvas, confort, seguridad… LAS TECNOLOGÍAS DE DIRECCIÓN ASISTIDA

La función de la dirección asistida es de reducir el esfuerzo necesario sobre el volante del vehículo para hacer girar las ruedas. Las cuatro tecnologías más utilizadas de dirección asistida son: • La dirección hidráulica. Es el sistema más antiguo. La bomba que presuriza el aceite de comando del sistema de dirección está directamente unida al cigüeñal y funciona de manera continua. El exceso de presión es evacuado

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por una válvula. Este sistema permite buenas prestaciones de dirección para grandes vehículos y además no es muy caro.Tiene el inconveniente de ser poco económico en combustible puesto que la bomba esta dimensionada para la situación más exigente (el estacionamiento) y la diferencia entre la presión producida y la presión necesaria en el resto de las situaciones es en realidad una pérdida de energía. Este tipo de dirección asistida consume unos 0,2-0,3 l/100 km (5-8 g CO2/km). • La dirección hidráulica de cilindrada variable. La dirección hidráulica de cilindrada variable funciona sobre el mismo principio que la dirección hidráulica clásica pero se puede pilotar la energía de presurización a través de la cilindrada de la bomba en función de la necesidad del momento, lo que reduce el consumo. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km). • La dirección electro-hidráulica. En este caso, una bomba eléctrica remplaza la bomba de la dirección hidráulica clásica y tiene la misma función de presurizar el circuito hidráulico de comando. La ventaja, al igual que en la dirección hidráulica de cilindrada variable, es que se puede adaptar la energía de presurización en el circuito de comando en función de la necesidad de asistencia del momento. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km). • La dirección eléctrica. En el caso de la dirección eléctrica, el circuito hidráulico es remplazado por un sistema eléctrico. Es el sistema que menos combustible consume, ya que además de adaptarse, como en los casos anteriores, a la necesidad de asistencia, Figura 9. Cartografía de consumo del motor: líneas de iso-rendimiento Carto motor térmico (N[rpm], C[Nm], consumo[g/kwh]) 180

Par del motor térmico (Nm)

Isopotencia a 14,6 kW

160 140 120

Isopotencia a 8,4 kW

100 80 60 40 20 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Régimen del motor térmico (rpm)

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no tiene tantas pérdidas, de manera que en línea recta el consumo es casi nulo. El problema de la dirección eléctrica es que no consigue imitar totalmente la sensación de la dirección hidráulica al volante, al no tener el amortiguamiento que permite el circuito hidráulico. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,02 l/100 km (0,5g CO2/km). LA ADAPTACIÓN DE LA DESMULTIPLICACIÓN DE LA CAJA DE CAMBIOS

Los ratios de desmultiplicación de las marchas pueden ser elegidos para mejorar el consumo del coche. De manera general, cuanto más desmultiplicada sea una marcha, menor será el consumo del coche para una misma potencia desarrollada por el motor. Veamos el porqué. El consumo de un motor puede representarse como una función que depende de dos variables: régimen y par, o, lo que es lo mismo, régimen y PME (presión media eficaz en el pistón) o régimen y potencia (a un régimen dado, PME, par y potencia están directamente unidos). En función de cómo se exprese esta función, se obtienen las siguientes representaciones: Consumo (g combustible/Kwh.) en función del régimen y del par (ver Figura 9). Se representan las líneas de iso-rendimiento. Esta representación tiene la ventaja de visualizar la zona de rendimiento óptimo (en el caso de la Figura 9, entre 2.000 y 3.000 tr/min y 120-160 Nm) y de visualizar el hecho de que a un régimen dado, el rendimiento es mayor cuanto mayor es el par motor, hasta la zona de par máximo, donde el rendimiento se degrada. Para hacer avanzar un vehículo a una velocidad dada, es necesario cierta potencia motor. Esta potencia motor puede obtenerse a bajo régimen y alto par o a alto régimen y bajo par, puesto que P = C*N. La función de la caja de cambios es precisamente de adaptar el régimen del motor. Una caja de cambios continua (tipo variador continuo) permite desplazarse sobre esta línea de isopotencia (en el grafico se han representado las isopotencias 8,4kW y 14,6kW). Pues bien, como es fácil deducir, para una misma potencia, los puntos más interesantes se encuentran a bajo régimen y fuerte par. La tendencia se invierte solamente a régimen muy bajo (en la Figura 9, para la isopotencia de 14,6kW, la tendencia se invierte a 1250 tr/min). Otra representación, en mi opinión mucho más sencilla y clara, es la llamada “rectas de Willans” (Figura 10). En ella se representa el

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consumo horario (g/h) en función de la potencia del motor para un régimen dado. La ventaja de esta representación es que permite ver que el consumo del motor es una función lineal en la mayor parte de la zona de funcionamiento. Si seguimos el mismo razonamiento, a una potencia dada, la desmultiplicación de la caja de cambios permite moverse a regímenes diferentes (cambiando el par, de manera que P=C*N=cte) sobre una línea paralela al eje “y”. La intersección con la recta de consumo al régimen de funcionamiento indica el consumo. Como en la representación anterior, es fácil ver que cuanto menor es el régimen del motor, más bajo será el consumo.

los aceites muy fluidos pueden diluirse en el combustible o no asegurar el arrancado en frío). • Decalaje del eje de cilindros respecto al eje del pistón. DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA EN LA MARIPOSA EN GASOLINA

Antes de entrar en más detalles, una pequeña explicación muy simplificada de por qué los motores gasolina consumen más que los diésel. Dos razones principales: • En los motores gasolina, la regulación de la potencia del motor la hace el conductor sobre el pedal del acelerador que, a su vez, va a

EL INDICADOR DE CAMBIO DE MARCHA

Últimamente están saliendo al mercado vehículos provistos de un indicador en el tablero de bordo que muestra al conductor la marcha más adecuada en cada momento para optimizar su consumo. Si el conductor sigue este indicador se pueden ganar entre 2 et 8 g CO2/km en función del tipo de trayecto. Por el momento, el ciclo oficial impone la marcha a seguir, de manera que el indicador no aporta ninguna ventaja en el consumo oficial. • Mejorando la definición del motor

Figura 10. Rectas de Willans Rectas de Willans 25000 20000 15000 10000 5000 0 0,0

DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR ROZAMIENTOS INTERNOS

La diferencia entre la potencia eficaz a la salida del cigüeñal y la potencia producida interna del motor es debida al rozamiento interno del motor. Muchas son las vías estudiadas por los fabricantes de motores para disminuir estas pérdidas. Algunas de ellas son las siguientes: • Mejorar el acabado superficial de las paredes del cilindro optimizando el procedimiento de fabricación del bloque motor. • Reducir el taraje de los segmentos (hasta cier to limite, puesto que hay que asegurar que el aceite no remonte a la cámara de combustión). • Mejorar los rodamientos que mantienen el eje de levas, o el cigüeñal. • Remplazar a bomba de aceite clásica por una bomba de aceite de cilindrada variable que adapta la energía de presurización a la necesidad de lubricación en el circuito. • Remplazar la bomba de agua clásica por una bomba de agua desconectable en función de la necesidad de flujo de agua. • Utilizar aceites en el motor y en la caja de cambio de baja viscosidad. El límite está en que

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

70,0

60,0

80,0

90,0

Potencia (kW) 1000 rpm 3500 rpm

1500 rpm 4000 rpm

2000 rpm 4500 rpm

2500 rpm 5000 rpm

3000 rpm 5500 rpm

Figura 11. Motor que permite la desactivación de cilindros FRUGAL V6 El grupo posterior de cilindros se cierra con carga reducida, pero los gases atrapados los mantienen en movimiento. El consumo de combustible mejora hasta en un 20 por ciento.

El control variable de cilindros de Honda cierra totalmente un grupo de cilindros, reduciendo las pérdidas de bombeo en un 65 por ciento. El ruido y las vibraciones de los tres cilindros se suprimen mediante bancadas activas del motor.

El sistema MDS (sistema de multidesplazamiento) de Chrysler de su nuevo V8 Hemi suprime dos cilindros de cada grupo de cuatro. El equilibrio se mantiene y Chrysler afirma que el cambio de régimen no es detectable por el usuario.

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Figura 12. Sistema Valvetronic de BMW Muelle recuperador

Árbol de levas

Corredera Media rueda dentada + árbol excéntrico

Palanca

Taqué Empujador hidráulico Tornillo sin fin

Válvula Válvula cerrada Apertura media

modificar la posición de la mariposa. Pues bien, el aire que entra en la admisión del motor encuentra el obstáculo de la mariposa en su camino, lo que produce una pérdida de carga (pérdida de energía). Cuanto menos potencia se necesita, más cerrada estará la mariposa y mayor será la pérdida de carga. Sin embargo, en los motores diésel, la regulación de la carga se hace a través de la cantidad de combustible inyectado (la combustión en diésel no es estequiométrica). Los motores diésel ganan en pérdida de carga en la admisión. • La segunda razón por la que un motor diésel consume menos que un motor gasolina es porque cuando compramos un litro de diésel estamos comprando en realidad más energía que un litro de gasolina puesto que el PCI volumétrico es mayor. El consumo en litros de combustible es mayor en gasolina que en diésel. Si el consumo se anunciase en kg de combustible, la diferencia se reduciría casi totalmente. Las tecnologías siguientes buscan reducir esta pérdida de carga: • Desconexión de un conducto de admisión por cilindro (en los motores que tienen dos válvulas de admisión) gracias al slider onoff, que se desplaza cerrando un conducto en cada cilindro. Este sistema tiene dos ventajas: reduce las pérdidas de carga en la mariposa y además permite una entrada de aire más aerodinámica en el cilindro, factor fundamental a baja carga para optimizar el consumo. • Desactivación de cilindros: varios vehículos en el mercado utilizan o han utilizado esta tecnología. La idea es desconectar varios cilindros cuando la necesidad de potencia es baja. Se puede, en un motor cuatro cilindros, 30

anales de mecánica y electricidad / enero-febrero 2008

desactivar dos de ellos, o en un motor V8, desactivar 4 (dos internos en una fila de cilindros y dos externos en la otra fila) o en V12, desactivar 6 cilindros. De esta manera, se reducen las pérdidas internas del motor y se reducen las pérdidas de carga en la mariposa. La dificultad de este sistema es controlar el paso de un tipo de funcionamiento a otro porque se producen fácilmente discontinuidades en el par motor, lo que ocasiona una discontinuidad molesta para los pasajeros en la aceleración. Físicamente, la desactivación de los cilindros se hace cerrando las válvulas de admisión y de escape. Existen varios sistemas en el mercado más o menos complejos y eficientes. La idea general es desolidarizar el árbol de levas con la leva o con la válvula correspondiente a las admisiones y escape del cilindro desactivado. El pistón, como está unido al cigüeñal (y éste sigue girando con el par producido por los cilindros que siguen el funcionamiento) sigue haciendo su recorrido de compresión y de admisión. El gas encerrado en el cilindro es siempre el mismo. Termodinámicamente, como casi no hay pérdidas, el ciclo es adiabático, así que la energía perdida en comprimir el aire es restituida al cigüeñal cuando éste se expande (la suma de las energías en nula). Este sistema permite un ahorro de combustible de 5 al 10% en función del tipo de motor y del vehículo. • Sistema “Valvetronic”: (ver Figura 12) este sistema, utilizado por BMW, regula gran parte de la carga gracias a la apertura variable de las válvulas de admisión. Un sistema mecánico bastante complejo es capaz de hacer variar la altura de apertura de las válvulas. El sistema “Valvetronic” permite un ahorro de combustible de 6 al 10% en el ciclo oficial. • Sistema de apertura de válvulas electromagnético: (ver Figura 13) la idea es la de remplazar el árbol de levas por unos accionadotes electromagnéticos que comandan las válvulas. De esta manera se optimiza, para cada punto de funcionamiento, la altura de apertura de la válvula y el momento en que se abre y se cierra. Esta tecnología proporciona entre 8 y el 12% de ahorro de energía. EL DOWN-SIZING

Este término inglés significa reducir la cilindrada del motor y, gracias a un turbo, obtener la misma potencia. Se puede remplazar así un 2.0 l atmosférico por un 1.6 l T o un 2.4 l atmosférico por un 2.0 l T. Las ventajas de un motor más pequeño son varias. Por un lado, se reducen las pérdidas por rozamiento por

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simple efecto del tamaño del motor. Por otro lado, al ser la cilindrada más pequeña para una misma potencia necesaria, la presión en el cilindro será mayor, lo que nos acerca de los puntos de funcionamiento óptimo. El inconveniente de un motor turbo es el tiempo de respuesta de la sobrealimentación, aunque la progresión de este aspecto ha sido enorme en los últimos años.

Figura 13. Sistema de apertura de válvulas electromagnéticas Accionador Electroimán Lengüeta Electroimán Resorte accionador

Resorte de válvula

STOP & START

El principio de esta tecnología es apagar el motor cuando no se necesita potencia, es decir cuando el vehículo esta parado o en deceleración. La ventaja de este sistema es, evidentemente, el ahorro de combustible, y también la ausencia de vibraciones y ruido cuando el coche esta parado en atascos o en los semáforos. El inconveniente, que los constructores de coches saben hoy reducir, es la molestia sonora y vibratoria cuando el coche arranca. Este sistema permite ganar entre 6 y 12 g de CO2/km, en función del vehículo, del motor y de las condiciones en que el motor pueda apagarse. HÍBRIDOS

Válvula

Posición de válvula cerrada

Posición de equilibrio

Posición de válvula abierta

Figura 14. Arquitectura de vehículo híbrido Generador Batería Transmisión híbrida

Motor de gasolina

Hay muchos sistemas híbridos en mercado, en función de cómo se integren el o los motores eléctricos y el motor térmico. En un vehículo híbrido eléctrico, además de un motor térmico, existe un motor eléctrico y un sistema de acumulación de energía. La energía acumulada puede ser utilizada como potencia motriz. Es decir, para una potencia demandada por el conductor, el motor térmico puede apor tar el 100%, o solamente el 80% y el 20% restante es el motor eléctrico que la aporta gracias a la energía acumulada previamente (en una batería o un super-condensador). De esta manera, en aceleración, la potencia del vehículo será la suma de la potencia térmica y eléctrica, lo que permite, a prestaciones constantes respecto a un vehículo normal, hacer uso del down-sizing (utilizar un motor térmico más pequeño) con todas las ventajas descritas anteriormente. Otra ventaja es la recuperación de energía en el frenado. En vez de disipar la energía en las pastillas de freno, el motor eléctrico puede funcionar de manera invertida, acumular la energía en la batería, al mismo tiempo que ofrece la deceleración demandada. La mayor parte de los vehículos híbridos incorporan la función Stop & Start descrita anteriormente.

Motor eléctrico Dispositivo divisor de potencia Engranaje reductor

Algunas arquitecturas de vehículos híbridos permiten, además, la posibilidad funcionar sin el motor térmico a baja velocidad y baja carga (el Prius de Toyota, p. ej.), lo que permite funcionar sin emisiones ni ruido. Esto es posible durante un tiempo limitado, puesto que la batería o el super-condensador se vacían durante este tiempo y es necesario arrancar el motor térmico para cargar las baterías. El sistema híbrido aporta entre 25 y el 30% de ahorro de combustible sobre el ciclo oficial. En la Figura 14 se ve la arquitectura simplificada del Toyota Prius. El motor eléctrico, el motor térmico y el generador están unidos a un tren epicicloidal. El tren epicicloidal funciona como un derivador de potencia, repartiendo la potencia del motor térmico entre las ruedas del vehículo y el generador.

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Qué hacen los constructores de automóviles para reducir el consumo de combustible, las emisiones de CO2 y de gases contaminantes

Patricia Villoslada Prado

Ingeniera de ICAI y de l'Ecole Centrale de Lyon, promoción 2000. Master en Motores de Combustión Interna en el Instituto Francés del Petróleo (París). Jefe del Servicio “Emisiones, Prestaciones y Consumo” en PSA Peugeot-Citroën (centro de estudios de La Garenne, París). Responsable de la definición de emisión de CO 2 en nuevos vehículos y del desarrollo de modelos matemáticos para previsión del consumo y determinación de especificaciones técnicas del motor.

Comentarios a: [email protected] 22

Algunas definiciones: consumo de carburante, emisiones de CO2 y emisiones de gases contaminantes En primer lugar, vamos a ver algunos conceptos básicos relativos al funcionamiento del motor de combustión interna que permitirán comprender la relación entre el consumo de carburante, las emisiones de CO2 y las emisiones de gases contaminantes. Para que la combustión se produzca, tanto en motores de gasolina como en diésel, el combustible debe encontrarse con el oxígeno y ser oxidado por éste. En el caso de los motores gasolina de inyección indirecta, la mezcla del combustible y del oxígeno se hace en los tubos de admisión a los cilindros, justo antes de las válvulas. En el caso de los motores de inyección directa gasolina o diésel, el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión. La combustión es iniciada por las bujías en los motores gasolina o por la presión generada en la compresión en los motores diésel. Químicamente, el carburante es oxidado en una reacción exotérmica produciendo fundamentalmente CO2 y H20 y otros componentes minoritarios: CO, HC (hidrocarburos no quemados), óxidos de nitrógeno (NOx)…

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El equilibrio del carbono indica que todo carbono encontrado en el escape del vehículo procede necesariamente del combustible. De esta manera, conociendo la composición y la cantidad de los gases de escape, a través de una fácil proporción, se puede deducir el consumo de carburante. Entre los gases resultantes de la combustión, el CO2 es, en muy alta proporción, el componente mayoritario, así que, en una primera aproximación se puede decir que las emisiones de CO2 por kilómetro recorrido del vehículo son proporcionales al consumo de combustible por kilómetro. Sin embargo, la cantidad emitida de los otros gases contaminantes (CO, HC, NOx, par tículas) depende de las condiciones en que se produce la combustión. Factores como el reglaje del momento exacto en que se produce la inyección dentro del ciclo, el diámetro de los agujeros de los inyectores, el reglaje del alumbrado de las bujías, la calidad del combustible, la forma de la cabeza del pistón y la forma de la cámara o las condiciones de presión y temperatura dentro del cilindro modifican la cantidad y la composición de gases contaminantes en el escape. Estos gases contaminantes son nocivos para la salud, sobretodo para el sistema respiratorio

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Figura 1. CAFE Europa por constructor

230 Consumo normalizado (CO2 g/km)

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210 190

+ + * +

* +

170

+ +

+

+

+

+

150 130

Recta de tendencia

+ *

+ *

146,9 142,8

130

1995 = 185 g á 2008 = 140 g

110

Recta de tendencia

Recta de tendencia

2008 = 140 g á 2012 = 140 g

2012 = 120 g á 2050 = 0 g

90 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VAG + FORD

* GM

TOYOTA

BMW

PSA

FIAT

ACEA

RENAULT

DAIMLER CHRYSLER

y cardiovascular, produciendo irritaciones, inflamaciones de los bronquios, acentuando los síntomas del asma, dolores de cabeza… algunos de estos gases son, además, precursores en la producción de ozono, que es, a su vez, un gas de efecto invernadero, que tanto preocupa en estos días. Las normas europeas limitan la emisión de gases contaminantes de los vehículos de transporte privados o utilitarios y, sin embargo, por ahora, no hay un límite establecido para las emisiones de CO2 (o lo que es lo mismo, para el consumo de combustible). El CO 2 es el principal responsable del “efecto invernadero” y de sus efectos directos: el calentamiento de la Tierra y los desarreglos climáticos. La sensibilización a este problema, así como la subida del precio del combustible, está cambiando muy rápidamente la mentalidad de los consumidores de coches, de los ciudadanos en general y de los legisladores en la Unión Europea, que empiezan a lanzar medidas iniciativas para los consumidores y a hacer presión sobre los constructores de coches para que fabriquen vehículos más económicos.

El contexto actual: normas e incitaciones de la Unión Europea, las motivaciones del cliente • La presión de la Comisión Europea sobre los constructores de coches para la reducción de emisiones de CO2

La reducción del CO2 emitido por los vehículos es una de las prioridades de la Comisión

Europea. Ésta exige a los constructores de automóviles un esfuerzo creciente en el diseño de sus vehículos para que cada vez sean más económicos en el consumo de combustible. El indicador matemático utilizado por la Comisión Europea es el CAFE (Corporate Average Fuel Economy). Es la media ponderada por el volumen de ventas de las emisiones de CO2 del parque nuevo de vehículos vendido por un constructor. Así, un coche cuyas emisiones de CO2 sean elevadas pero poco vendido, tendrá un peso en el CAFE bastante limitado, mientras que un coche fuertemente vendido deberá tener un consumo reducido si el constructor quiere limitar su CAFE global. Este indicador refleja bien las emisiones de CO2 globales realmente recibidas por la atmósfera. Fue el congreso de EE UU el primero en utilizarlo en 1975 al imponer un límite máximo de CAFE para reducir el consumo de petróleo después de la gran crisis de 1973. Según muchos expertos, gracias a la regulación del CAFE, las emisiones de CO2 de los vehículos en EE UU se han mantenido más o menos constantes desde principios de los años 80, a pesar de la bajada del precio del petróleo. Volviendo a Europa, en el año 1999, la Asociación de Constructores Europeos del Automóvil (ACEA) se comprometió voluntariamente a alcanzar antes del 2008, un CAFE de 140 g/km. Este compromiso fue aceptado por la Comisión Europea en febrero 1999.

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• La incitación fiscal y la motivación de los compradores de coches para la reducción de CO2

Figura 2. Etiqueta consumo carburante Consumo de carburante y emisión de CO2 Marca: Citroën Modelo: C3 Versión: 5P 1.4 HDI Energía: Diésel Consumo

Consumo mixto:

de carburante

4,2 l/100 km Consumo urbano: 5,3 l/100 km Consumo no urbano: 3,6 l/100 km

CO2 Emisiones escasas de CO 100 g/km

110 g/km

2

A

101 a 120 g/km B

121 a 140 g/km

C

B 141 a 160 g/km

161 a 200 g/km

201 a 250 g/km

250 g/km

D

E

F

G

Emisiones elevadas de CO2

En febrero del 2007, la Comisión Europea fijó un nuevo objetivo todavía más ambicioso: un CAFE de 120 g/km en 2012. Los constructores de automóviles se comprometieron a hacer enormes esfuerzos, pero pidieron igualmente que las instituciones públicas y otros fabricantes se unieran al esfuerzo. El acuerdo final es el siguiente: • Los constructores de automóviles deben alcanzar un CAFE de 130 g/km vía la mejora del diseño de sus vehículos (rendimiento del motor, caja de cambios, características el vehículo…). • Los 10 g/km complementarios serán alcanzados gracias a otras tecnologías: indicador de cambio de marcha, mejora de los neumáticos, sistemas de climatización más eficaces el uso de biocombustible… La Figura 1 muestra la evolución del CAFE desde 1995 hasta hoy para cada uno de los constructores que venden coches en Europa, así como la trayectoria necesaria para alcanzar los 120 g en 2012. 24

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La Comisión Europea, además de exigir esfuerzos a los constructores de automóviles, quiere incitar a los compradores de coches a elegir modelos más eficientes. Una buena elección pasa por una buena información, por eso la Unión Europea exige a los vendedores de turismos nuevos que faciliten a los eventuales compradores información sobre el consumo de combustible y las emisiones de CO2. Esa información debe figurar en el etiquetado del vehículo, en los carteles y en todo el material de publicidad. El tipo de etiquetado elegido es del mismo formato que el ya existente para los electrodomésticos: una escala de mayor a menor eficiencia energética, graduado en letras y colores de la “A” a la “G”. Así, en el concesionario de coches, debe aparecer para cada vehículo una etiqueta como en la Figura 2. El “rendimiento energético” reflejado en estas etiquetas depende únicamente de las emisiones de CO2 globales del vehículo. Un coche pequeño, por ser pequeño, tendrá más facilidades para obtener una etiqueta de bajo consumo que uno grande, aunque el rendimiento energético del motor sea equivalente o incluso menor. Éste es uno de los puntos de batalla entre los constructores europeos. Aquéllos cuyo mayor volumen de ventas corresponde a coches pequeños, como los franceses, están interesados en este tipo de indicador. Los alemanes, cuyos coches son de media más grandes, defienden un indicador del tipo g CO2/km dividido por la masa del vehículo, o por la superficie proyectada en el suelo. Parece claro que desde un punto puramente ecológico, teniendo en cuenta que una gran mayoría de los trayectos en coche en Europa se hacen sin pasajeros, el indicador más coherente es el utilizado actualmente, pues refleja directamente la cantidad de CO2 recibido por la atmósfera. Además, bajo incitación de la Unión Europea, la mayoría de los países han puesto en marcha una fiscalidad vinculada con las emisiones de CO2, ya sea el impuesto de matriculación, de circulación o incluso, es el caso de Bélgica, un mecanismo de desgravación del impuesto sobre la renta. Las flotas de vehículos profesionales son objeto de grabaciones-incitaciones importantes. El último agente que incita a la reducción del consumo, y no el menos importante, es la subida del precio del carburante. El cliente

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• Cómo se mide el consumo y las emisiones de CO2 y de gases contaminantes

Hagamos un pequeño apar tado sobre la manera de medir el consumo, las emisiones de CO2 y los gases contaminantes. En cuanto al consumo, existen muchas medidas del consumo. Las revistas del automóvil, las asociaciones de consumidores y diferentes instituciones no oficiales hacen medidas de consumo de los vehículos. Para un mismo vehículo, según el tipo de circuito, el consumo de un coche puede variar del simple al doble (ver Figura 5). Por eso, la norma europea, mide en consumo según un ciclo bien definido . • Las emisiones de CO2 y gases contaminantes oficiales Antes de la puesta en venta de un vehículo en Europa (Japón, EE UU y China tienen sus propias normas), el constructor debe realizar la medida del consumo de su vehículo delante de una de las instituciones homologadas por la Unión Europea. Este consumo deberá ser anunciado claramente en la exposición de venta del vehículo, como ya hemos explicado anteriormente. El ciclo es siempre el mismo para todos los vehículos, y está definido por un perfil de velocidad en función del tiempo. Esta compuesto de dos partes: ECE, representativo de

Figura 3. Evolución límites reglamentarios de emisión de gases contaminantes gasolina 100 90

97,8

94,1

94,1

92,7

96,0 92,0

92,0

80

98,0

80,3

70 60 50,0

50 40

34,9

Referencia R15 1971 ex Vehículo de gasolina 1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

30 19,7

20

24,8 14,9

10

CO

0,0

0 1965

1970 1975

1980

1985

1990

1995

2000

HC

2005

2010

2015

Figura 4. Evolución límites reglamentarios de emisión de gases contaminantes diésel 100 90

97,3

96,6

94,7

87,1

89,7

85,5

80

95,8 94,5

94,5

91,1

82,1

82,1

82,1

70 64,3

63,5

60

64,3

60,5

50 42,9

40

42,9

Referencia R15 1971 ex Vehículo de gasolina 1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

30 20

CO

10

0,0

0,0

0 1980

1985

0,0

1990

HC + Nox

partículas

0,0

0,0

1995

2000

2010

2005

2015

Figura 5. Diferentes tipos de consumo vehículos 14

Vehículo MI 1400 cm3 de gasolina 11,7

12 9,7

10 8 6,9 6

7,1

7,5

8

8,5

8,7

8,8

11,9

10,2

8,8

6

4 2 0 au to Eu pi ro st a pa BU D EE C U U m ix to Jap on EE 15 U U Pr c en iu da sa d -C ar re Eu t ro er pe a o 99 1 00 Jap ón Pr 1 0en 15 sa -a ut op Pr ist en a sa -M ix ta Jap ón Pr en 10 sa -C iu da Eu d ro pa EC E

Las emisiones de gases contaminantes están limitadas en Europa para los motores gasolina desde el año 70, y desde el 82 para los motores diésel. Desde que la norma existe, las emisiones de los motores diésel han sido reducidas en un 95%, y en un 98% en los motores gasolina, lo que corresponde aproximadamente a dividir por 2 las emisiones ¡cada cinco o seis años! Las últimas normas aprobadas son las llamadas EURO 5 y EURO 6, con las que se endurecen todavía más los límites máximos. La norma EURO 5 será aplicada a partir de septiembre 2009 para los nuevos modelos, y en enero 2011 para todos los vehículos vendidos nuevos. La norma EURO 6 se aplicará aproximadamente 5 años más tarde. Los gases contaminantes limitados son: CO, HC (metálicos y totales), NOx y partículas. Las Figuras 3 y 4 permiten ver la evolución de la norma en el tiempo.

Reducción de las emisiones (%)

• La presión sobre la emisión de gases contaminantes

una conducción en ciudad y realizado cuatro veces consecutivas; y EUDC, representativo de la conducción en las afueras de la ciudad (ver Figura 6).

Reducción de las emisiones (%)

hoy en día esta mucho mas atento al consumo de su vehículo que hace unos años.

Consumo (l/100 km)

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U U

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EE

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res al vehículo (fundamentalmente la fuerza aerodinámica, el rozamiento de los neumáticos con la carretera y la masa inercial del vehículo en las fases de aceleración y deceleración), gracias a un freno eléctrico o hidráulico. Durante este ciclo, los gases de escape son recogidos y analizados. Se miden las emisiones de CO2 y de gases contaminantes.

20

Cómo disminuir el consumo

10

• Mejorando la definición del vehículo

Figura 6. Perfil del ciclo oficial Ciclo ECE

60 50 40

0

0

50

100

200

150

250

Tiempo (s)

Ciclo EUDC

140 120 100 80 60 40 20 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400≠

Tiempo (s)

Figura 7. Evolución de la masa media en gasolina y diésel La masa de los vehículos no deja de crecer desde 1984, lo cual se debe en parte al aumento de la seguridad y a la multiplicación de los equipos de confort (ventanillas eléctricas, climatización) que compensan la pérdida de peso relacionada con el aligeramiento de los materiales. 1400 1300 1200 1100 1000 900

19

84 19 8 19 5 86 19 87 19 88 19 8 19 9 90 19 9 19 1 9 19 2 93 19 94 19 95 19 9 19 6 97 19 9 19 8 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05

800

Total general

Total gasolina

Total diésel

Para que la medida sea repetitiva, no se realiza en pista sino sobre un banco de rodillos. Como el vehículo permanece físicamente a velocidad nula, el banco simula las fuerzas exterio26

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DISMINUYENDO LA MASA

La disminución de la masa tiene un “efecto virtuoso sobre la masa”. Cuando se ganan kilos en un coche, se puede reducir la masa del equipo de frenado, ya que éste será dimensionado para frenar menos inercia. El mismo círculo virtuoso se produce sobre el dimensionamiento de la estructura para la seguridad en caso de choque. Cuanta menos masa tenga el vehículo, menos energía es necesario absorber en caso de choque, y menos material absorbente será necesario integrar en la estructura. El sistema de enfriado de aire y agua puede igualmente ser reducido al reducir la masa del vehículo puesto que la situación dimensionante, que es el vehículo a su carga máxima en cuesta o remolcando una caravana, la necesidad de potencia del motor será menor y por tanto, la necesidad de disipación de energía será menor. Se puede reducir entonces el tamaño del radiador, de los ventiladores… Otro efecto virtuoso de la masa se produce en los motores diésel, a través de la emisión de gases contaminantes. Un coche más ligero consumirá menos combustible y producirá, por simple proporción, menos gases contaminantes. En los motores diésel, el reglaje de la combustión es un equilibrio entre el consumo y la emisión de NOx, de manera que si la emisión de contaminantes es baja, se puede optimizar este compromiso en favor del consumo. Al final, la reducción de 100 kg en un coche reduce el consumo entre 0,15 y 0,25 l/100 km (unos 4 a 7g de CO2 en gasolina y diésel). La tendencia del mercado ha sido globalmente al aumento constante de la masa debido a la multiplicación de equipamientos para el confort (climatización, motores eléctricos para el elevalunas, el reglaje de los asientos) el dimensionamiento para la seguridad en caso de choque, la presencia de airbags… La utilización de materiales menos pesados, aunque la ha reducido, no ha conseguido equilibrar esta tendencia.Todo parece indicar que, bajo

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Figura 8.Tipos de dirección asistida HIDRÁULICA

ELECTRO-HIDRÁULICA

ELÉCTRICA Calculador

Depósito Bomba

Circuito Hidráulico

Mecanismo Válvula

Mecanismo

Motor Válvula

Captador de par

Electrobomba (motobomba, electrónica, depósito, soporte) Reductor de marchas y tornillo sin fin

Circuito Hidráulico

Mecanismo

Consumo: 0,2 - 0,3 1/100 (5 - 8 g/km CO2)

la presión creciente sobre las emisiones de CO2, esta carrera se esté calmando. En la Figura 6 se puede ver la evolución de la masa desde 1984 en gasolina y diesel. MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LOS NEUMÁTICOS

Los neumáticos son los responsables del 1520% del consumo de un coche, pero son también el elemento de unión del coche con la carretera. La definición del neumático impacta directamente las prestaciones del vehículo en la estabilidad en las curvas, la distancia de frenado, el confort vibratorio, la emisión de vibraciones acústicas, la duración de vida del neumático… y estas prestaciones son muchas veces contrarias a un neumático de alto rendimiento energético. Se está produciendo actualmente una gran evolución técnica en los neumáticos. El fabricante Michelin parece ser el más adelantado, y propone actualmente una gama de neumáticos que reducen el consumo guardando constantes el resto de prestaciones. Estos nuevos neumáticos pueden reducir el consumo entre 4 y 7 g CO2/km respecto a neumáticos clásicos. REDUCIENDO EN COEFICIENTE AERODINÁMICO SCX

La fuerza externa al vehículo debido a rozamiento aerodinámico es 1/2 .
. S . Cx, siendo S la superficie frontal del coche y Cxel coeficiente aerodinámico. La fuerza aerodinámica se puede reducir mejorando la superficie del coche, a través del diseño de la silueta global, pero también reduciendo el Cx, también a través del diseño, creando formas aerodinámicas fluidas o a través de componentes como alerones o placas aerodinámicas en el bajo del coche. Para un mismo concepto de coche (monovolumen pequeño, gran berlina, deportivo…),

Consumo: + 0,1 1/100 (1 - 3 g/km CO2)

Consumo: + 0,02 1/100 (0,5 g/km CO2)

un SCx bien optimizado puede hacer ganar entre 2 y 4 g/ CO2 sobre las emisiones totales de CO2 en el ciclo oficial. A más altas velocidades, el beneficio es mayor, ya que la potencia aerodinámica crece con el cubo de la velocidad. DISMINUYENDO LOS ROZAMIENTOS INTERNOS DEL VEHÍCULO

Los principales responsables del rozamiento interno del vehículo son los rodamientos y el rozamiento residual de las plaquetas de freno. Para reducir el rozamiento de los rodamientos, los constructores de coches exigen continuas mejoras a sus proveedores. En cuanto a las plaquetas de freno, el problema es que muchas veces las plaquetas de freno pueden no volver a su posición inicial después de un frenado, produciendo un rozamiento residual con el disco. Para que el conductor no tenga la impresión de tener una “carrera muerta” en el recorrido del pedal del freno y que la frenada sea eficaz con los primeros milímetros de desplazamiento del pedal, la distancia entre las plaquetas y el disco se reduce lo máximo posible, lo que aumenta las posibilidades de que el rozamiento se produzca. El diseño de un coche es un constante compromiso entre muchas prestaciones: el consumo por supuesto, pero también distancia de frenado, capacidad en las curvas, confort, seguridad… LAS TECNOLOGÍAS DE DIRECCIÓN ASISTIDA

La función de la dirección asistida es de reducir el esfuerzo necesario sobre el volante del vehículo para hacer girar las ruedas. Las cuatro tecnologías más utilizadas de dirección asistida son: • La dirección hidráulica. Es el sistema más antiguo. La bomba que presuriza el aceite de comando del sistema de dirección está directamente unida al cigüeñal y funciona de manera continua. El exceso de presión es evacuado

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por una válvula. Este sistema permite buenas prestaciones de dirección para grandes vehículos y además no es muy caro.Tiene el inconveniente de ser poco económico en combustible puesto que la bomba esta dimensionada para la situación más exigente (el estacionamiento) y la diferencia entre la presión producida y la presión necesaria en el resto de las situaciones es en realidad una pérdida de energía. Este tipo de dirección asistida consume unos 0,2-0,3 l/100 km (5-8 g CO2/km). • La dirección hidráulica de cilindrada variable. La dirección hidráulica de cilindrada variable funciona sobre el mismo principio que la dirección hidráulica clásica pero se puede pilotar la energía de presurización a través de la cilindrada de la bomba en función de la necesidad del momento, lo que reduce el consumo. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km). • La dirección electro-hidráulica. En este caso, una bomba eléctrica remplaza la bomba de la dirección hidráulica clásica y tiene la misma función de presurizar el circuito hidráulico de comando. La ventaja, al igual que en la dirección hidráulica de cilindrada variable, es que se puede adaptar la energía de presurización en el circuito de comando en función de la necesidad de asistencia del momento. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km). • La dirección eléctrica. En el caso de la dirección eléctrica, el circuito hidráulico es remplazado por un sistema eléctrico. Es el sistema que menos combustible consume, ya que además de adaptarse, como en los casos anteriores, a la necesidad de asistencia, Figura 9. Cartografía de consumo del motor: líneas de iso-rendimiento Carto motor térmico (N[rpm], C[Nm], consumo[g/kwh]) 180

Par del motor térmico (Nm)

Isopotencia a 14,6 kW

160 140 120

Isopotencia a 8,4 kW

100 80 60 40 20 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Régimen del motor térmico (rpm)

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no tiene tantas pérdidas, de manera que en línea recta el consumo es casi nulo. El problema de la dirección eléctrica es que no consigue imitar totalmente la sensación de la dirección hidráulica al volante, al no tener el amortiguamiento que permite el circuito hidráulico. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,02 l/100 km (0,5g CO2/km). LA ADAPTACIÓN DE LA DESMULTIPLICACIÓN DE LA CAJA DE CAMBIOS

Los ratios de desmultiplicación de las marchas pueden ser elegidos para mejorar el consumo del coche. De manera general, cuanto más desmultiplicada sea una marcha, menor será el consumo del coche para una misma potencia desarrollada por el motor. Veamos el porqué. El consumo de un motor puede representarse como una función que depende de dos variables: régimen y par, o, lo que es lo mismo, régimen y PME (presión media eficaz en el pistón) o régimen y potencia (a un régimen dado, PME, par y potencia están directamente unidos). En función de cómo se exprese esta función, se obtienen las siguientes representaciones: Consumo (g combustible/Kwh.) en función del régimen y del par (ver Figura 9). Se representan las líneas de iso-rendimiento. Esta representación tiene la ventaja de visualizar la zona de rendimiento óptimo (en el caso de la Figura 9, entre 2.000 y 3.000 tr/min y 120-160 Nm) y de visualizar el hecho de que a un régimen dado, el rendimiento es mayor cuanto mayor es el par motor, hasta la zona de par máximo, donde el rendimiento se degrada. Para hacer avanzar un vehículo a una velocidad dada, es necesario cierta potencia motor. Esta potencia motor puede obtenerse a bajo régimen y alto par o a alto régimen y bajo par, puesto que P = C*N. La función de la caja de cambios es precisamente de adaptar el régimen del motor. Una caja de cambios continua (tipo variador continuo) permite desplazarse sobre esta línea de isopotencia (en el grafico se han representado las isopotencias 8,4kW y 14,6kW). Pues bien, como es fácil deducir, para una misma potencia, los puntos más interesantes se encuentran a bajo régimen y fuerte par. La tendencia se invierte solamente a régimen muy bajo (en la Figura 9, para la isopotencia de 14,6kW, la tendencia se invierte a 1250 tr/min). Otra representación, en mi opinión mucho más sencilla y clara, es la llamada “rectas de Willans” (Figura 10). En ella se representa el

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consumo horario (g/h) en función de la potencia del motor para un régimen dado. La ventaja de esta representación es que permite ver que el consumo del motor es una función lineal en la mayor parte de la zona de funcionamiento. Si seguimos el mismo razonamiento, a una potencia dada, la desmultiplicación de la caja de cambios permite moverse a regímenes diferentes (cambiando el par, de manera que P=C*N=cte) sobre una línea paralela al eje “y”. La intersección con la recta de consumo al régimen de funcionamiento indica el consumo. Como en la representación anterior, es fácil ver que cuanto menor es el régimen del motor, más bajo será el consumo.

los aceites muy fluidos pueden diluirse en el combustible o no asegurar el arrancado en frío). • Decalaje del eje de cilindros respecto al eje del pistón. DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA EN LA MARIPOSA EN GASOLINA

Antes de entrar en más detalles, una pequeña explicación muy simplificada de por qué los motores gasolina consumen más que los diésel. Dos razones principales: • En los motores gasolina, la regulación de la potencia del motor la hace el conductor sobre el pedal del acelerador que, a su vez, va a

EL INDICADOR DE CAMBIO DE MARCHA

Últimamente están saliendo al mercado vehículos provistos de un indicador en el tablero de bordo que muestra al conductor la marcha más adecuada en cada momento para optimizar su consumo. Si el conductor sigue este indicador se pueden ganar entre 2 et 8 g CO2/km en función del tipo de trayecto. Por el momento, el ciclo oficial impone la marcha a seguir, de manera que el indicador no aporta ninguna ventaja en el consumo oficial. • Mejorando la definición del motor

Figura 10. Rectas de Willans Rectas de Willans 25000 20000 15000 10000 5000 0 0,0

DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR ROZAMIENTOS INTERNOS

La diferencia entre la potencia eficaz a la salida del cigüeñal y la potencia producida interna del motor es debida al rozamiento interno del motor. Muchas son las vías estudiadas por los fabricantes de motores para disminuir estas pérdidas. Algunas de ellas son las siguientes: • Mejorar el acabado superficial de las paredes del cilindro optimizando el procedimiento de fabricación del bloque motor. • Reducir el taraje de los segmentos (hasta cier to limite, puesto que hay que asegurar que el aceite no remonte a la cámara de combustión). • Mejorar los rodamientos que mantienen el eje de levas, o el cigüeñal. • Remplazar a bomba de aceite clásica por una bomba de aceite de cilindrada variable que adapta la energía de presurización a la necesidad de lubricación en el circuito. • Remplazar la bomba de agua clásica por una bomba de agua desconectable en función de la necesidad de flujo de agua. • Utilizar aceites en el motor y en la caja de cambio de baja viscosidad. El límite está en que

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

70,0

60,0

80,0

90,0

Potencia (kW) 1000 rpm 3500 rpm

1500 rpm 4000 rpm

2000 rpm 4500 rpm

2500 rpm 5000 rpm

3000 rpm 5500 rpm

Figura 11. Motor que permite la desactivación de cilindros FRUGAL V6 El grupo posterior de cilindros se cierra con carga reducida, pero los gases atrapados los mantienen en movimiento. El consumo de combustible mejora hasta en un 20 por ciento.

El control variable de cilindros de Honda cierra totalmente un grupo de cilindros, reduciendo las pérdidas de bombeo en un 65 por ciento. El ruido y las vibraciones de los tres cilindros se suprimen mediante bancadas activas del motor.

El sistema MDS (sistema de multidesplazamiento) de Chrysler de su nuevo V8 Hemi suprime dos cilindros de cada grupo de cuatro. El equilibrio se mantiene y Chrysler afirma que el cambio de régimen no es detectable por el usuario.

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Figura 12. Sistema Valvetronic de BMW Muelle recuperador

Árbol de levas

Corredera Media rueda dentada + árbol excéntrico

Palanca

Taqué Empujador hidráulico Tornillo sin fin

Válvula Válvula cerrada Apertura media

modificar la posición de la mariposa. Pues bien, el aire que entra en la admisión del motor encuentra el obstáculo de la mariposa en su camino, lo que produce una pérdida de carga (pérdida de energía). Cuanto menos potencia se necesita, más cerrada estará la mariposa y mayor será la pérdida de carga. Sin embargo, en los motores diésel, la regulación de la carga se hace a través de la cantidad de combustible inyectado (la combustión en diésel no es estequiométrica). Los motores diésel ganan en pérdida de carga en la admisión. • La segunda razón por la que un motor diésel consume menos que un motor gasolina es porque cuando compramos un litro de diésel estamos comprando en realidad más energía que un litro de gasolina puesto que el PCI volumétrico es mayor. El consumo en litros de combustible es mayor en gasolina que en diésel. Si el consumo se anunciase en kg de combustible, la diferencia se reduciría casi totalmente. Las tecnologías siguientes buscan reducir esta pérdida de carga: • Desconexión de un conducto de admisión por cilindro (en los motores que tienen dos válvulas de admisión) gracias al slider onoff, que se desplaza cerrando un conducto en cada cilindro. Este sistema tiene dos ventajas: reduce las pérdidas de carga en la mariposa y además permite una entrada de aire más aerodinámica en el cilindro, factor fundamental a baja carga para optimizar el consumo. • Desactivación de cilindros: varios vehículos en el mercado utilizan o han utilizado esta tecnología. La idea es desconectar varios cilindros cuando la necesidad de potencia es baja. Se puede, en un motor cuatro cilindros, 30

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desactivar dos de ellos, o en un motor V8, desactivar 4 (dos internos en una fila de cilindros y dos externos en la otra fila) o en V12, desactivar 6 cilindros. De esta manera, se reducen las pérdidas internas del motor y se reducen las pérdidas de carga en la mariposa. La dificultad de este sistema es controlar el paso de un tipo de funcionamiento a otro porque se producen fácilmente discontinuidades en el par motor, lo que ocasiona una discontinuidad molesta para los pasajeros en la aceleración. Físicamente, la desactivación de los cilindros se hace cerrando las válvulas de admisión y de escape. Existen varios sistemas en el mercado más o menos complejos y eficientes. La idea general es desolidarizar el árbol de levas con la leva o con la válvula correspondiente a las admisiones y escape del cilindro desactivado. El pistón, como está unido al cigüeñal (y éste sigue girando con el par producido por los cilindros que siguen el funcionamiento) sigue haciendo su recorrido de compresión y de admisión. El gas encerrado en el cilindro es siempre el mismo. Termodinámicamente, como casi no hay pérdidas, el ciclo es adiabático, así que la energía perdida en comprimir el aire es restituida al cigüeñal cuando éste se expande (la suma de las energías en nula). Este sistema permite un ahorro de combustible de 5 al 10% en función del tipo de motor y del vehículo. • Sistema “Valvetronic”: (ver Figura 12) este sistema, utilizado por BMW, regula gran parte de la carga gracias a la apertura variable de las válvulas de admisión. Un sistema mecánico bastante complejo es capaz de hacer variar la altura de apertura de las válvulas. El sistema “Valvetronic” permite un ahorro de combustible de 6 al 10% en el ciclo oficial. • Sistema de apertura de válvulas electromagnético: (ver Figura 13) la idea es la de remplazar el árbol de levas por unos accionadotes electromagnéticos que comandan las válvulas. De esta manera se optimiza, para cada punto de funcionamiento, la altura de apertura de la válvula y el momento en que se abre y se cierra. Esta tecnología proporciona entre 8 y el 12% de ahorro de energía. EL DOWN-SIZING

Este término inglés significa reducir la cilindrada del motor y, gracias a un turbo, obtener la misma potencia. Se puede remplazar así un 2.0 l atmosférico por un 1.6 l T o un 2.4 l atmosférico por un 2.0 l T. Las ventajas de un motor más pequeño son varias. Por un lado, se reducen las pérdidas por rozamiento por

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simple efecto del tamaño del motor. Por otro lado, al ser la cilindrada más pequeña para una misma potencia necesaria, la presión en el cilindro será mayor, lo que nos acerca de los puntos de funcionamiento óptimo. El inconveniente de un motor turbo es el tiempo de respuesta de la sobrealimentación, aunque la progresión de este aspecto ha sido enorme en los últimos años.

Figura 13. Sistema de apertura de válvulas electromagnéticas Accionador Electroimán Lengüeta Electroimán Resorte accionador

Resorte de válvula

STOP & START

El principio de esta tecnología es apagar el motor cuando no se necesita potencia, es decir cuando el vehículo esta parado o en deceleración. La ventaja de este sistema es, evidentemente, el ahorro de combustible, y también la ausencia de vibraciones y ruido cuando el coche esta parado en atascos o en los semáforos. El inconveniente, que los constructores de coches saben hoy reducir, es la molestia sonora y vibratoria cuando el coche arranca. Este sistema permite ganar entre 6 y 12 g de CO2/km, en función del vehículo, del motor y de las condiciones en que el motor pueda apagarse. HÍBRIDOS

Válvula

Posición de válvula cerrada

Posición de equilibrio

Posición de válvula abierta

Figura 14. Arquitectura de vehículo híbrido Generador Batería Transmisión híbrida

Motor de gasolina

Hay muchos sistemas híbridos en mercado, en función de cómo se integren el o los motores eléctricos y el motor térmico. En un vehículo híbrido eléctrico, además de un motor térmico, existe un motor eléctrico y un sistema de acumulación de energía. La energía acumulada puede ser utilizada como potencia motriz. Es decir, para una potencia demandada por el conductor, el motor térmico puede apor tar el 100%, o solamente el 80% y el 20% restante es el motor eléctrico que la aporta gracias a la energía acumulada previamente (en una batería o un super-condensador). De esta manera, en aceleración, la potencia del vehículo será la suma de la potencia térmica y eléctrica, lo que permite, a prestaciones constantes respecto a un vehículo normal, hacer uso del down-sizing (utilizar un motor térmico más pequeño) con todas las ventajas descritas anteriormente. Otra ventaja es la recuperación de energía en el frenado. En vez de disipar la energía en las pastillas de freno, el motor eléctrico puede funcionar de manera invertida, acumular la energía en la batería, al mismo tiempo que ofrece la deceleración demandada. La mayor parte de los vehículos híbridos incorporan la función Stop & Start descrita anteriormente.

Motor eléctrico Dispositivo divisor de potencia Engranaje reductor

Algunas arquitecturas de vehículos híbridos permiten, además, la posibilidad funcionar sin el motor térmico a baja velocidad y baja carga (el Prius de Toyota, p. ej.), lo que permite funcionar sin emisiones ni ruido. Esto es posible durante un tiempo limitado, puesto que la batería o el super-condensador se vacían durante este tiempo y es necesario arrancar el motor térmico para cargar las baterías. El sistema híbrido aporta entre 25 y el 30% de ahorro de combustible sobre el ciclo oficial. En la Figura 14 se ve la arquitectura simplificada del Toyota Prius. El motor eléctrico, el motor térmico y el generador están unidos a un tren epicicloidal. El tren epicicloidal funciona como un derivador de potencia, repartiendo la potencia del motor térmico entre las ruedas del vehículo y el generador.

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Qué hacen los constructores de automóviles para reducir el consumo de combustible, las emisiones de CO2 y de gases contaminantes

Patricia Villoslada Prado

Ingeniera de ICAI y de l'Ecole Centrale de Lyon, promoción 2000. Master en Motores de Combustión Interna en el Instituto Francés del Petróleo (París). Jefe del Servicio “Emisiones, Prestaciones y Consumo” en PSA Peugeot-Citroën (centro de estudios de La Garenne, París). Responsable de la definición de emisión de CO 2 en nuevos vehículos y del desarrollo de modelos matemáticos para previsión del consumo y determinación de especificaciones técnicas del motor.

Comentarios a: [email protected] 22

Algunas definiciones: consumo de carburante, emisiones de CO2 y emisiones de gases contaminantes En primer lugar, vamos a ver algunos conceptos básicos relativos al funcionamiento del motor de combustión interna que permitirán comprender la relación entre el consumo de carburante, las emisiones de CO2 y las emisiones de gases contaminantes. Para que la combustión se produzca, tanto en motores de gasolina como en diésel, el combustible debe encontrarse con el oxígeno y ser oxidado por éste. En el caso de los motores gasolina de inyección indirecta, la mezcla del combustible y del oxígeno se hace en los tubos de admisión a los cilindros, justo antes de las válvulas. En el caso de los motores de inyección directa gasolina o diésel, el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión. La combustión es iniciada por las bujías en los motores gasolina o por la presión generada en la compresión en los motores diésel. Químicamente, el carburante es oxidado en una reacción exotérmica produciendo fundamentalmente CO2 y H20 y otros componentes minoritarios: CO, HC (hidrocarburos no quemados), óxidos de nitrógeno (NOx)…

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El equilibrio del carbono indica que todo carbono encontrado en el escape del vehículo procede necesariamente del combustible. De esta manera, conociendo la composición y la cantidad de los gases de escape, a través de una fácil proporción, se puede deducir el consumo de carburante. Entre los gases resultantes de la combustión, el CO2 es, en muy alta proporción, el componente mayoritario, así que, en una primera aproximación se puede decir que las emisiones de CO2 por kilómetro recorrido del vehículo son proporcionales al consumo de combustible por kilómetro. Sin embargo, la cantidad emitida de los otros gases contaminantes (CO, HC, NOx, par tículas) depende de las condiciones en que se produce la combustión. Factores como el reglaje del momento exacto en que se produce la inyección dentro del ciclo, el diámetro de los agujeros de los inyectores, el reglaje del alumbrado de las bujías, la calidad del combustible, la forma de la cabeza del pistón y la forma de la cámara o las condiciones de presión y temperatura dentro del cilindro modifican la cantidad y la composición de gases contaminantes en el escape. Estos gases contaminantes son nocivos para la salud, sobretodo para el sistema respiratorio

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Figura 1. CAFE Europa por constructor

230 Consumo normalizado (CO2 g/km)

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210 190

+ + * +

* +

170

+ +

+

+

+

+

150 130

Recta de tendencia

+ *

+ *

146,9 142,8

130

1995 = 185 g á 2008 = 140 g

110

Recta de tendencia

Recta de tendencia

2008 = 140 g á 2012 = 140 g

2012 = 120 g á 2050 = 0 g

90 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VAG + FORD

* GM

TOYOTA

BMW

PSA

FIAT

ACEA

RENAULT

DAIMLER CHRYSLER

y cardiovascular, produciendo irritaciones, inflamaciones de los bronquios, acentuando los síntomas del asma, dolores de cabeza… algunos de estos gases son, además, precursores en la producción de ozono, que es, a su vez, un gas de efecto invernadero, que tanto preocupa en estos días. Las normas europeas limitan la emisión de gases contaminantes de los vehículos de transporte privados o utilitarios y, sin embargo, por ahora, no hay un límite establecido para las emisiones de CO2 (o lo que es lo mismo, para el consumo de combustible). El CO 2 es el principal responsable del “efecto invernadero” y de sus efectos directos: el calentamiento de la Tierra y los desarreglos climáticos. La sensibilización a este problema, así como la subida del precio del combustible, está cambiando muy rápidamente la mentalidad de los consumidores de coches, de los ciudadanos en general y de los legisladores en la Unión Europea, que empiezan a lanzar medidas iniciativas para los consumidores y a hacer presión sobre los constructores de coches para que fabriquen vehículos más económicos.

El contexto actual: normas e incitaciones de la Unión Europea, las motivaciones del cliente • La presión de la Comisión Europea sobre los constructores de coches para la reducción de emisiones de CO2

La reducción del CO2 emitido por los vehículos es una de las prioridades de la Comisión

Europea. Ésta exige a los constructores de automóviles un esfuerzo creciente en el diseño de sus vehículos para que cada vez sean más económicos en el consumo de combustible. El indicador matemático utilizado por la Comisión Europea es el CAFE (Corporate Average Fuel Economy). Es la media ponderada por el volumen de ventas de las emisiones de CO2 del parque nuevo de vehículos vendido por un constructor. Así, un coche cuyas emisiones de CO2 sean elevadas pero poco vendido, tendrá un peso en el CAFE bastante limitado, mientras que un coche fuertemente vendido deberá tener un consumo reducido si el constructor quiere limitar su CAFE global. Este indicador refleja bien las emisiones de CO2 globales realmente recibidas por la atmósfera. Fue el congreso de EE UU el primero en utilizarlo en 1975 al imponer un límite máximo de CAFE para reducir el consumo de petróleo después de la gran crisis de 1973. Según muchos expertos, gracias a la regulación del CAFE, las emisiones de CO2 de los vehículos en EE UU se han mantenido más o menos constantes desde principios de los años 80, a pesar de la bajada del precio del petróleo. Volviendo a Europa, en el año 1999, la Asociación de Constructores Europeos del Automóvil (ACEA) se comprometió voluntariamente a alcanzar antes del 2008, un CAFE de 140 g/km. Este compromiso fue aceptado por la Comisión Europea en febrero 1999.

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• La incitación fiscal y la motivación de los compradores de coches para la reducción de CO2

Figura 2. Etiqueta consumo carburante Consumo de carburante y emisión de CO2 Marca: Citroën Modelo: C3 Versión: 5P 1.4 HDI Energía: Diésel Consumo

Consumo mixto:

de carburante

4,2 l/100 km Consumo urbano: 5,3 l/100 km Consumo no urbano: 3,6 l/100 km

CO2 Emisiones escasas de CO 100 g/km

110 g/km

2

A

101 a 120 g/km B

121 a 140 g/km

C

B 141 a 160 g/km

161 a 200 g/km

201 a 250 g/km

250 g/km

D

E

F

G

Emisiones elevadas de CO2

En febrero del 2007, la Comisión Europea fijó un nuevo objetivo todavía más ambicioso: un CAFE de 120 g/km en 2012. Los constructores de automóviles se comprometieron a hacer enormes esfuerzos, pero pidieron igualmente que las instituciones públicas y otros fabricantes se unieran al esfuerzo. El acuerdo final es el siguiente: • Los constructores de automóviles deben alcanzar un CAFE de 130 g/km vía la mejora del diseño de sus vehículos (rendimiento del motor, caja de cambios, características el vehículo…). • Los 10 g/km complementarios serán alcanzados gracias a otras tecnologías: indicador de cambio de marcha, mejora de los neumáticos, sistemas de climatización más eficaces el uso de biocombustible… La Figura 1 muestra la evolución del CAFE desde 1995 hasta hoy para cada uno de los constructores que venden coches en Europa, así como la trayectoria necesaria para alcanzar los 120 g en 2012. 24

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La Comisión Europea, además de exigir esfuerzos a los constructores de automóviles, quiere incitar a los compradores de coches a elegir modelos más eficientes. Una buena elección pasa por una buena información, por eso la Unión Europea exige a los vendedores de turismos nuevos que faciliten a los eventuales compradores información sobre el consumo de combustible y las emisiones de CO2. Esa información debe figurar en el etiquetado del vehículo, en los carteles y en todo el material de publicidad. El tipo de etiquetado elegido es del mismo formato que el ya existente para los electrodomésticos: una escala de mayor a menor eficiencia energética, graduado en letras y colores de la “A” a la “G”. Así, en el concesionario de coches, debe aparecer para cada vehículo una etiqueta como en la Figura 2. El “rendimiento energético” reflejado en estas etiquetas depende únicamente de las emisiones de CO2 globales del vehículo. Un coche pequeño, por ser pequeño, tendrá más facilidades para obtener una etiqueta de bajo consumo que uno grande, aunque el rendimiento energético del motor sea equivalente o incluso menor. Éste es uno de los puntos de batalla entre los constructores europeos. Aquéllos cuyo mayor volumen de ventas corresponde a coches pequeños, como los franceses, están interesados en este tipo de indicador. Los alemanes, cuyos coches son de media más grandes, defienden un indicador del tipo g CO2/km dividido por la masa del vehículo, o por la superficie proyectada en el suelo. Parece claro que desde un punto puramente ecológico, teniendo en cuenta que una gran mayoría de los trayectos en coche en Europa se hacen sin pasajeros, el indicador más coherente es el utilizado actualmente, pues refleja directamente la cantidad de CO2 recibido por la atmósfera. Además, bajo incitación de la Unión Europea, la mayoría de los países han puesto en marcha una fiscalidad vinculada con las emisiones de CO2, ya sea el impuesto de matriculación, de circulación o incluso, es el caso de Bélgica, un mecanismo de desgravación del impuesto sobre la renta. Las flotas de vehículos profesionales son objeto de grabaciones-incitaciones importantes. El último agente que incita a la reducción del consumo, y no el menos importante, es la subida del precio del carburante. El cliente

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• Cómo se mide el consumo y las emisiones de CO2 y de gases contaminantes

Hagamos un pequeño apar tado sobre la manera de medir el consumo, las emisiones de CO2 y los gases contaminantes. En cuanto al consumo, existen muchas medidas del consumo. Las revistas del automóvil, las asociaciones de consumidores y diferentes instituciones no oficiales hacen medidas de consumo de los vehículos. Para un mismo vehículo, según el tipo de circuito, el consumo de un coche puede variar del simple al doble (ver Figura 5). Por eso, la norma europea, mide en consumo según un ciclo bien definido . • Las emisiones de CO2 y gases contaminantes oficiales Antes de la puesta en venta de un vehículo en Europa (Japón, EE UU y China tienen sus propias normas), el constructor debe realizar la medida del consumo de su vehículo delante de una de las instituciones homologadas por la Unión Europea. Este consumo deberá ser anunciado claramente en la exposición de venta del vehículo, como ya hemos explicado anteriormente. El ciclo es siempre el mismo para todos los vehículos, y está definido por un perfil de velocidad en función del tiempo. Esta compuesto de dos partes: ECE, representativo de

Figura 3. Evolución límites reglamentarios de emisión de gases contaminantes gasolina 100 90

97,8

94,1

94,1

92,7

96,0 92,0

92,0

80

98,0

80,3

70 60 50,0

50 40

34,9

Referencia R15 1971 ex Vehículo de gasolina 1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

30 19,7

20

24,8 14,9

10

CO

0,0

0 1965

1970 1975

1980

1985

1990

1995

2000

HC

2005

2010

2015

Figura 4. Evolución límites reglamentarios de emisión de gases contaminantes diésel 100 90

97,3

96,6

94,7

87,1

89,7

85,5

80

95,8 94,5

94,5

91,1

82,1

82,1

82,1

70 64,3

63,5

60

64,3

60,5

50 42,9

40

42,9

Referencia R15 1971 ex Vehículo de gasolina 1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

30 20

CO

10

0,0

0,0

0 1980

1985

0,0

1990

HC + Nox

partículas

0,0

0,0

1995

2000

2010

2005

2015

Figura 5. Diferentes tipos de consumo vehículos 14

Vehículo MI 1400 cm3 de gasolina 11,7

12 9,7

10 8 6,9 6

7,1

7,5

8

8,5

8,7

8,8

11,9

10,2

8,8

6

4 2 0 au to Eu pi ro st a pa BU D EE C U U m ix to Jap on EE 15 U U Pr c en iu da sa d -C ar re Eu t ro er pe a o 99 1 00 Jap ón Pr 1 0en 15 sa -a ut op Pr ist en a sa -M ix ta Jap ón Pr en 10 sa -C iu da Eu d ro pa EC E

Las emisiones de gases contaminantes están limitadas en Europa para los motores gasolina desde el año 70, y desde el 82 para los motores diésel. Desde que la norma existe, las emisiones de los motores diésel han sido reducidas en un 95%, y en un 98% en los motores gasolina, lo que corresponde aproximadamente a dividir por 2 las emisiones ¡cada cinco o seis años! Las últimas normas aprobadas son las llamadas EURO 5 y EURO 6, con las que se endurecen todavía más los límites máximos. La norma EURO 5 será aplicada a partir de septiembre 2009 para los nuevos modelos, y en enero 2011 para todos los vehículos vendidos nuevos. La norma EURO 6 se aplicará aproximadamente 5 años más tarde. Los gases contaminantes limitados son: CO, HC (metálicos y totales), NOx y partículas. Las Figuras 3 y 4 permiten ver la evolución de la norma en el tiempo.

Reducción de las emisiones (%)

• La presión sobre la emisión de gases contaminantes

una conducción en ciudad y realizado cuatro veces consecutivas; y EUDC, representativo de la conducción en las afueras de la ciudad (ver Figura 6).

Reducción de las emisiones (%)

hoy en día esta mucho mas atento al consumo de su vehículo que hace unos años.

Consumo (l/100 km)

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U U

3/3/08

EE

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xx_gases

3/3/08

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res al vehículo (fundamentalmente la fuerza aerodinámica, el rozamiento de los neumáticos con la carretera y la masa inercial del vehículo en las fases de aceleración y deceleración), gracias a un freno eléctrico o hidráulico. Durante este ciclo, los gases de escape son recogidos y analizados. Se miden las emisiones de CO2 y de gases contaminantes.

20

Cómo disminuir el consumo

10

• Mejorando la definición del vehículo

Figura 6. Perfil del ciclo oficial Ciclo ECE

60 50 40

0

0

50

100

200

150

250

Tiempo (s)

Ciclo EUDC

140 120 100 80 60 40 20 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400≠

Tiempo (s)

Figura 7. Evolución de la masa media en gasolina y diésel La masa de los vehículos no deja de crecer desde 1984, lo cual se debe en parte al aumento de la seguridad y a la multiplicación de los equipos de confort (ventanillas eléctricas, climatización) que compensan la pérdida de peso relacionada con el aligeramiento de los materiales. 1400 1300 1200 1100 1000 900

19

84 19 8 19 5 86 19 87 19 88 19 8 19 9 90 19 9 19 1 9 19 2 93 19 94 19 95 19 9 19 6 97 19 9 19 8 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05

800

Total general

Total gasolina

Total diésel

Para que la medida sea repetitiva, no se realiza en pista sino sobre un banco de rodillos. Como el vehículo permanece físicamente a velocidad nula, el banco simula las fuerzas exterio26

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DISMINUYENDO LA MASA

La disminución de la masa tiene un “efecto virtuoso sobre la masa”. Cuando se ganan kilos en un coche, se puede reducir la masa del equipo de frenado, ya que éste será dimensionado para frenar menos inercia. El mismo círculo virtuoso se produce sobre el dimensionamiento de la estructura para la seguridad en caso de choque. Cuanta menos masa tenga el vehículo, menos energía es necesario absorber en caso de choque, y menos material absorbente será necesario integrar en la estructura. El sistema de enfriado de aire y agua puede igualmente ser reducido al reducir la masa del vehículo puesto que la situación dimensionante, que es el vehículo a su carga máxima en cuesta o remolcando una caravana, la necesidad de potencia del motor será menor y por tanto, la necesidad de disipación de energía será menor. Se puede reducir entonces el tamaño del radiador, de los ventiladores… Otro efecto virtuoso de la masa se produce en los motores diésel, a través de la emisión de gases contaminantes. Un coche más ligero consumirá menos combustible y producirá, por simple proporción, menos gases contaminantes. En los motores diésel, el reglaje de la combustión es un equilibrio entre el consumo y la emisión de NOx, de manera que si la emisión de contaminantes es baja, se puede optimizar este compromiso en favor del consumo. Al final, la reducción de 100 kg en un coche reduce el consumo entre 0,15 y 0,25 l/100 km (unos 4 a 7g de CO2 en gasolina y diésel). La tendencia del mercado ha sido globalmente al aumento constante de la masa debido a la multiplicación de equipamientos para el confort (climatización, motores eléctricos para el elevalunas, el reglaje de los asientos) el dimensionamiento para la seguridad en caso de choque, la presencia de airbags… La utilización de materiales menos pesados, aunque la ha reducido, no ha conseguido equilibrar esta tendencia.Todo parece indicar que, bajo

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Figura 8.Tipos de dirección asistida HIDRÁULICA

ELECTRO-HIDRÁULICA

ELÉCTRICA Calculador

Depósito Bomba

Circuito Hidráulico

Mecanismo Válvula

Mecanismo

Motor Válvula

Captador de par

Electrobomba (motobomba, electrónica, depósito, soporte) Reductor de marchas y tornillo sin fin

Circuito Hidráulico

Mecanismo

Consumo: 0,2 - 0,3 1/100 (5 - 8 g/km CO2)

la presión creciente sobre las emisiones de CO2, esta carrera se esté calmando. En la Figura 6 se puede ver la evolución de la masa desde 1984 en gasolina y diesel. MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LOS NEUMÁTICOS

Los neumáticos son los responsables del 1520% del consumo de un coche, pero son también el elemento de unión del coche con la carretera. La definición del neumático impacta directamente las prestaciones del vehículo en la estabilidad en las curvas, la distancia de frenado, el confort vibratorio, la emisión de vibraciones acústicas, la duración de vida del neumático… y estas prestaciones son muchas veces contrarias a un neumático de alto rendimiento energético. Se está produciendo actualmente una gran evolución técnica en los neumáticos. El fabricante Michelin parece ser el más adelantado, y propone actualmente una gama de neumáticos que reducen el consumo guardando constantes el resto de prestaciones. Estos nuevos neumáticos pueden reducir el consumo entre 4 y 7 g CO2/km respecto a neumáticos clásicos. REDUCIENDO EN COEFICIENTE AERODINÁMICO SCX

La fuerza externa al vehículo debido a rozamiento aerodinámico es 1/2 .
. S . Cx, siendo S la superficie frontal del coche y Cxel coeficiente aerodinámico. La fuerza aerodinámica se puede reducir mejorando la superficie del coche, a través del diseño de la silueta global, pero también reduciendo el Cx, también a través del diseño, creando formas aerodinámicas fluidas o a través de componentes como alerones o placas aerodinámicas en el bajo del coche. Para un mismo concepto de coche (monovolumen pequeño, gran berlina, deportivo…),

Consumo: + 0,1 1/100 (1 - 3 g/km CO2)

Consumo: + 0,02 1/100 (0,5 g/km CO2)

un SCx bien optimizado puede hacer ganar entre 2 y 4 g/ CO2 sobre las emisiones totales de CO2 en el ciclo oficial. A más altas velocidades, el beneficio es mayor, ya que la potencia aerodinámica crece con el cubo de la velocidad. DISMINUYENDO LOS ROZAMIENTOS INTERNOS DEL VEHÍCULO

Los principales responsables del rozamiento interno del vehículo son los rodamientos y el rozamiento residual de las plaquetas de freno. Para reducir el rozamiento de los rodamientos, los constructores de coches exigen continuas mejoras a sus proveedores. En cuanto a las plaquetas de freno, el problema es que muchas veces las plaquetas de freno pueden no volver a su posición inicial después de un frenado, produciendo un rozamiento residual con el disco. Para que el conductor no tenga la impresión de tener una “carrera muerta” en el recorrido del pedal del freno y que la frenada sea eficaz con los primeros milímetros de desplazamiento del pedal, la distancia entre las plaquetas y el disco se reduce lo máximo posible, lo que aumenta las posibilidades de que el rozamiento se produzca. El diseño de un coche es un constante compromiso entre muchas prestaciones: el consumo por supuesto, pero también distancia de frenado, capacidad en las curvas, confort, seguridad… LAS TECNOLOGÍAS DE DIRECCIÓN ASISTIDA

La función de la dirección asistida es de reducir el esfuerzo necesario sobre el volante del vehículo para hacer girar las ruedas. Las cuatro tecnologías más utilizadas de dirección asistida son: • La dirección hidráulica. Es el sistema más antiguo. La bomba que presuriza el aceite de comando del sistema de dirección está directamente unida al cigüeñal y funciona de manera continua. El exceso de presión es evacuado

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por una válvula. Este sistema permite buenas prestaciones de dirección para grandes vehículos y además no es muy caro.Tiene el inconveniente de ser poco económico en combustible puesto que la bomba esta dimensionada para la situación más exigente (el estacionamiento) y la diferencia entre la presión producida y la presión necesaria en el resto de las situaciones es en realidad una pérdida de energía. Este tipo de dirección asistida consume unos 0,2-0,3 l/100 km (5-8 g CO2/km). • La dirección hidráulica de cilindrada variable. La dirección hidráulica de cilindrada variable funciona sobre el mismo principio que la dirección hidráulica clásica pero se puede pilotar la energía de presurización a través de la cilindrada de la bomba en función de la necesidad del momento, lo que reduce el consumo. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km). • La dirección electro-hidráulica. En este caso, una bomba eléctrica remplaza la bomba de la dirección hidráulica clásica y tiene la misma función de presurizar el circuito hidráulico de comando. La ventaja, al igual que en la dirección hidráulica de cilindrada variable, es que se puede adaptar la energía de presurización en el circuito de comando en función de la necesidad de asistencia del momento. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km). • La dirección eléctrica. En el caso de la dirección eléctrica, el circuito hidráulico es remplazado por un sistema eléctrico. Es el sistema que menos combustible consume, ya que además de adaptarse, como en los casos anteriores, a la necesidad de asistencia, Figura 9. Cartografía de consumo del motor: líneas de iso-rendimiento Carto motor térmico (N[rpm], C[Nm], consumo[g/kwh]) 180

Par del motor térmico (Nm)

Isopotencia a 14,6 kW

160 140 120

Isopotencia a 8,4 kW

100 80 60 40 20 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Régimen del motor térmico (rpm)

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no tiene tantas pérdidas, de manera que en línea recta el consumo es casi nulo. El problema de la dirección eléctrica es que no consigue imitar totalmente la sensación de la dirección hidráulica al volante, al no tener el amortiguamiento que permite el circuito hidráulico. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,02 l/100 km (0,5g CO2/km). LA ADAPTACIÓN DE LA DESMULTIPLICACIÓN DE LA CAJA DE CAMBIOS

Los ratios de desmultiplicación de las marchas pueden ser elegidos para mejorar el consumo del coche. De manera general, cuanto más desmultiplicada sea una marcha, menor será el consumo del coche para una misma potencia desarrollada por el motor. Veamos el porqué. El consumo de un motor puede representarse como una función que depende de dos variables: régimen y par, o, lo que es lo mismo, régimen y PME (presión media eficaz en el pistón) o régimen y potencia (a un régimen dado, PME, par y potencia están directamente unidos). En función de cómo se exprese esta función, se obtienen las siguientes representaciones: Consumo (g combustible/Kwh.) en función del régimen y del par (ver Figura 9). Se representan las líneas de iso-rendimiento. Esta representación tiene la ventaja de visualizar la zona de rendimiento óptimo (en el caso de la Figura 9, entre 2.000 y 3.000 tr/min y 120-160 Nm) y de visualizar el hecho de que a un régimen dado, el rendimiento es mayor cuanto mayor es el par motor, hasta la zona de par máximo, donde el rendimiento se degrada. Para hacer avanzar un vehículo a una velocidad dada, es necesario cierta potencia motor. Esta potencia motor puede obtenerse a bajo régimen y alto par o a alto régimen y bajo par, puesto que P = C*N. La función de la caja de cambios es precisamente de adaptar el régimen del motor. Una caja de cambios continua (tipo variador continuo) permite desplazarse sobre esta línea de isopotencia (en el grafico se han representado las isopotencias 8,4kW y 14,6kW). Pues bien, como es fácil deducir, para una misma potencia, los puntos más interesantes se encuentran a bajo régimen y fuerte par. La tendencia se invierte solamente a régimen muy bajo (en la Figura 9, para la isopotencia de 14,6kW, la tendencia se invierte a 1250 tr/min). Otra representación, en mi opinión mucho más sencilla y clara, es la llamada “rectas de Willans” (Figura 10). En ella se representa el

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consumo horario (g/h) en función de la potencia del motor para un régimen dado. La ventaja de esta representación es que permite ver que el consumo del motor es una función lineal en la mayor parte de la zona de funcionamiento. Si seguimos el mismo razonamiento, a una potencia dada, la desmultiplicación de la caja de cambios permite moverse a regímenes diferentes (cambiando el par, de manera que P=C*N=cte) sobre una línea paralela al eje “y”. La intersección con la recta de consumo al régimen de funcionamiento indica el consumo. Como en la representación anterior, es fácil ver que cuanto menor es el régimen del motor, más bajo será el consumo.

los aceites muy fluidos pueden diluirse en el combustible o no asegurar el arrancado en frío). • Decalaje del eje de cilindros respecto al eje del pistón. DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA EN LA MARIPOSA EN GASOLINA

Antes de entrar en más detalles, una pequeña explicación muy simplificada de por qué los motores gasolina consumen más que los diésel. Dos razones principales: • En los motores gasolina, la regulación de la potencia del motor la hace el conductor sobre el pedal del acelerador que, a su vez, va a

EL INDICADOR DE CAMBIO DE MARCHA

Últimamente están saliendo al mercado vehículos provistos de un indicador en el tablero de bordo que muestra al conductor la marcha más adecuada en cada momento para optimizar su consumo. Si el conductor sigue este indicador se pueden ganar entre 2 et 8 g CO2/km en función del tipo de trayecto. Por el momento, el ciclo oficial impone la marcha a seguir, de manera que el indicador no aporta ninguna ventaja en el consumo oficial. • Mejorando la definición del motor

Figura 10. Rectas de Willans Rectas de Willans 25000 20000 15000 10000 5000 0 0,0

DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR ROZAMIENTOS INTERNOS

La diferencia entre la potencia eficaz a la salida del cigüeñal y la potencia producida interna del motor es debida al rozamiento interno del motor. Muchas son las vías estudiadas por los fabricantes de motores para disminuir estas pérdidas. Algunas de ellas son las siguientes: • Mejorar el acabado superficial de las paredes del cilindro optimizando el procedimiento de fabricación del bloque motor. • Reducir el taraje de los segmentos (hasta cier to limite, puesto que hay que asegurar que el aceite no remonte a la cámara de combustión). • Mejorar los rodamientos que mantienen el eje de levas, o el cigüeñal. • Remplazar a bomba de aceite clásica por una bomba de aceite de cilindrada variable que adapta la energía de presurización a la necesidad de lubricación en el circuito. • Remplazar la bomba de agua clásica por una bomba de agua desconectable en función de la necesidad de flujo de agua. • Utilizar aceites en el motor y en la caja de cambio de baja viscosidad. El límite está en que

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

70,0

60,0

80,0

90,0

Potencia (kW) 1000 rpm 3500 rpm

1500 rpm 4000 rpm

2000 rpm 4500 rpm

2500 rpm 5000 rpm

3000 rpm 5500 rpm

Figura 11. Motor que permite la desactivación de cilindros FRUGAL V6 El grupo posterior de cilindros se cierra con carga reducida, pero los gases atrapados los mantienen en movimiento. El consumo de combustible mejora hasta en un 20 por ciento.

El control variable de cilindros de Honda cierra totalmente un grupo de cilindros, reduciendo las pérdidas de bombeo en un 65 por ciento. El ruido y las vibraciones de los tres cilindros se suprimen mediante bancadas activas del motor.

El sistema MDS (sistema de multidesplazamiento) de Chrysler de su nuevo V8 Hemi suprime dos cilindros de cada grupo de cuatro. El equilibrio se mantiene y Chrysler afirma que el cambio de régimen no es detectable por el usuario.

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Figura 12. Sistema Valvetronic de BMW Muelle recuperador

Árbol de levas

Corredera Media rueda dentada + árbol excéntrico

Palanca

Taqué Empujador hidráulico Tornillo sin fin

Válvula Válvula cerrada Apertura media

modificar la posición de la mariposa. Pues bien, el aire que entra en la admisión del motor encuentra el obstáculo de la mariposa en su camino, lo que produce una pérdida de carga (pérdida de energía). Cuanto menos potencia se necesita, más cerrada estará la mariposa y mayor será la pérdida de carga. Sin embargo, en los motores diésel, la regulación de la carga se hace a través de la cantidad de combustible inyectado (la combustión en diésel no es estequiométrica). Los motores diésel ganan en pérdida de carga en la admisión. • La segunda razón por la que un motor diésel consume menos que un motor gasolina es porque cuando compramos un litro de diésel estamos comprando en realidad más energía que un litro de gasolina puesto que el PCI volumétrico es mayor. El consumo en litros de combustible es mayor en gasolina que en diésel. Si el consumo se anunciase en kg de combustible, la diferencia se reduciría casi totalmente. Las tecnologías siguientes buscan reducir esta pérdida de carga: • Desconexión de un conducto de admisión por cilindro (en los motores que tienen dos válvulas de admisión) gracias al slider onoff, que se desplaza cerrando un conducto en cada cilindro. Este sistema tiene dos ventajas: reduce las pérdidas de carga en la mariposa y además permite una entrada de aire más aerodinámica en el cilindro, factor fundamental a baja carga para optimizar el consumo. • Desactivación de cilindros: varios vehículos en el mercado utilizan o han utilizado esta tecnología. La idea es desconectar varios cilindros cuando la necesidad de potencia es baja. Se puede, en un motor cuatro cilindros, 30

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desactivar dos de ellos, o en un motor V8, desactivar 4 (dos internos en una fila de cilindros y dos externos en la otra fila) o en V12, desactivar 6 cilindros. De esta manera, se reducen las pérdidas internas del motor y se reducen las pérdidas de carga en la mariposa. La dificultad de este sistema es controlar el paso de un tipo de funcionamiento a otro porque se producen fácilmente discontinuidades en el par motor, lo que ocasiona una discontinuidad molesta para los pasajeros en la aceleración. Físicamente, la desactivación de los cilindros se hace cerrando las válvulas de admisión y de escape. Existen varios sistemas en el mercado más o menos complejos y eficientes. La idea general es desolidarizar el árbol de levas con la leva o con la válvula correspondiente a las admisiones y escape del cilindro desactivado. El pistón, como está unido al cigüeñal (y éste sigue girando con el par producido por los cilindros que siguen el funcionamiento) sigue haciendo su recorrido de compresión y de admisión. El gas encerrado en el cilindro es siempre el mismo. Termodinámicamente, como casi no hay pérdidas, el ciclo es adiabático, así que la energía perdida en comprimir el aire es restituida al cigüeñal cuando éste se expande (la suma de las energías en nula). Este sistema permite un ahorro de combustible de 5 al 10% en función del tipo de motor y del vehículo. • Sistema “Valvetronic”: (ver Figura 12) este sistema, utilizado por BMW, regula gran parte de la carga gracias a la apertura variable de las válvulas de admisión. Un sistema mecánico bastante complejo es capaz de hacer variar la altura de apertura de las válvulas. El sistema “Valvetronic” permite un ahorro de combustible de 6 al 10% en el ciclo oficial. • Sistema de apertura de válvulas electromagnético: (ver Figura 13) la idea es la de remplazar el árbol de levas por unos accionadotes electromagnéticos que comandan las válvulas. De esta manera se optimiza, para cada punto de funcionamiento, la altura de apertura de la válvula y el momento en que se abre y se cierra. Esta tecnología proporciona entre 8 y el 12% de ahorro de energía. EL DOWN-SIZING

Este término inglés significa reducir la cilindrada del motor y, gracias a un turbo, obtener la misma potencia. Se puede remplazar así un 2.0 l atmosférico por un 1.6 l T o un 2.4 l atmosférico por un 2.0 l T. Las ventajas de un motor más pequeño son varias. Por un lado, se reducen las pérdidas por rozamiento por

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simple efecto del tamaño del motor. Por otro lado, al ser la cilindrada más pequeña para una misma potencia necesaria, la presión en el cilindro será mayor, lo que nos acerca de los puntos de funcionamiento óptimo. El inconveniente de un motor turbo es el tiempo de respuesta de la sobrealimentación, aunque la progresión de este aspecto ha sido enorme en los últimos años.

Figura 13. Sistema de apertura de válvulas electromagnéticas Accionador Electroimán Lengüeta Electroimán Resorte accionador

Resorte de válvula

STOP & START

El principio de esta tecnología es apagar el motor cuando no se necesita potencia, es decir cuando el vehículo esta parado o en deceleración. La ventaja de este sistema es, evidentemente, el ahorro de combustible, y también la ausencia de vibraciones y ruido cuando el coche esta parado en atascos o en los semáforos. El inconveniente, que los constructores de coches saben hoy reducir, es la molestia sonora y vibratoria cuando el coche arranca. Este sistema permite ganar entre 6 y 12 g de CO2/km, en función del vehículo, del motor y de las condiciones en que el motor pueda apagarse. HÍBRIDOS

Válvula

Posición de válvula cerrada

Posición de equilibrio

Posición de válvula abierta

Figura 14. Arquitectura de vehículo híbrido Generador Batería Transmisión híbrida

Motor de gasolina

Hay muchos sistemas híbridos en mercado, en función de cómo se integren el o los motores eléctricos y el motor térmico. En un vehículo híbrido eléctrico, además de un motor térmico, existe un motor eléctrico y un sistema de acumulación de energía. La energía acumulada puede ser utilizada como potencia motriz. Es decir, para una potencia demandada por el conductor, el motor térmico puede apor tar el 100%, o solamente el 80% y el 20% restante es el motor eléctrico que la aporta gracias a la energía acumulada previamente (en una batería o un super-condensador). De esta manera, en aceleración, la potencia del vehículo será la suma de la potencia térmica y eléctrica, lo que permite, a prestaciones constantes respecto a un vehículo normal, hacer uso del down-sizing (utilizar un motor térmico más pequeño) con todas las ventajas descritas anteriormente. Otra ventaja es la recuperación de energía en el frenado. En vez de disipar la energía en las pastillas de freno, el motor eléctrico puede funcionar de manera invertida, acumular la energía en la batería, al mismo tiempo que ofrece la deceleración demandada. La mayor parte de los vehículos híbridos incorporan la función Stop & Start descrita anteriormente.

Motor eléctrico Dispositivo divisor de potencia Engranaje reductor

Algunas arquitecturas de vehículos híbridos permiten, además, la posibilidad funcionar sin el motor térmico a baja velocidad y baja carga (el Prius de Toyota, p. ej.), lo que permite funcionar sin emisiones ni ruido. Esto es posible durante un tiempo limitado, puesto que la batería o el super-condensador se vacían durante este tiempo y es necesario arrancar el motor térmico para cargar las baterías. El sistema híbrido aporta entre 25 y el 30% de ahorro de combustible sobre el ciclo oficial. En la Figura 14 se ve la arquitectura simplificada del Toyota Prius. El motor eléctrico, el motor térmico y el generador están unidos a un tren epicicloidal. El tren epicicloidal funciona como un derivador de potencia, repartiendo la potencia del motor térmico entre las ruedas del vehículo y el generador.

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Qué hacen los constructores de automóviles para reducir el consumo de combustible, las emisiones de CO2 y de gases contaminantes

Patricia Villoslada Prado

Ingeniera de ICAI y de l'Ecole Centrale de Lyon, promoción 2000. Master en Motores de Combustión Interna en el Instituto Francés del Petróleo (París). Jefe del Servicio “Emisiones, Prestaciones y Consumo” en PSA Peugeot-Citroën (centro de estudios de La Garenne, París). Responsable de la definición de emisión de CO 2 en nuevos vehículos y del desarrollo de modelos matemáticos para previsión del consumo y determinación de especificaciones técnicas del motor.

Comentarios a: [email protected] 22

Algunas definiciones: consumo de carburante, emisiones de CO2 y emisiones de gases contaminantes En primer lugar, vamos a ver algunos conceptos básicos relativos al funcionamiento del motor de combustión interna que permitirán comprender la relación entre el consumo de carburante, las emisiones de CO2 y las emisiones de gases contaminantes. Para que la combustión se produzca, tanto en motores de gasolina como en diésel, el combustible debe encontrarse con el oxígeno y ser oxidado por éste. En el caso de los motores gasolina de inyección indirecta, la mezcla del combustible y del oxígeno se hace en los tubos de admisión a los cilindros, justo antes de las válvulas. En el caso de los motores de inyección directa gasolina o diésel, el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión. La combustión es iniciada por las bujías en los motores gasolina o por la presión generada en la compresión en los motores diésel. Químicamente, el carburante es oxidado en una reacción exotérmica produciendo fundamentalmente CO2 y H20 y otros componentes minoritarios: CO, HC (hidrocarburos no quemados), óxidos de nitrógeno (NOx)…

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El equilibrio del carbono indica que todo carbono encontrado en el escape del vehículo procede necesariamente del combustible. De esta manera, conociendo la composición y la cantidad de los gases de escape, a través de una fácil proporción, se puede deducir el consumo de carburante. Entre los gases resultantes de la combustión, el CO2 es, en muy alta proporción, el componente mayoritario, así que, en una primera aproximación se puede decir que las emisiones de CO2 por kilómetro recorrido del vehículo son proporcionales al consumo de combustible por kilómetro. Sin embargo, la cantidad emitida de los otros gases contaminantes (CO, HC, NOx, par tículas) depende de las condiciones en que se produce la combustión. Factores como el reglaje del momento exacto en que se produce la inyección dentro del ciclo, el diámetro de los agujeros de los inyectores, el reglaje del alumbrado de las bujías, la calidad del combustible, la forma de la cabeza del pistón y la forma de la cámara o las condiciones de presión y temperatura dentro del cilindro modifican la cantidad y la composición de gases contaminantes en el escape. Estos gases contaminantes son nocivos para la salud, sobretodo para el sistema respiratorio

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Figura 1. CAFE Europa por constructor

230 Consumo normalizado (CO2 g/km)

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210 190

+ + * +

* +

170

+ +

+

+

+

+

150 130

Recta de tendencia

+ *

+ *

146,9 142,8

130

1995 = 185 g á 2008 = 140 g

110

Recta de tendencia

Recta de tendencia

2008 = 140 g á 2012 = 140 g

2012 = 120 g á 2050 = 0 g

90 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VAG + FORD

* GM

TOYOTA

BMW

PSA

FIAT

ACEA

RENAULT

DAIMLER CHRYSLER

y cardiovascular, produciendo irritaciones, inflamaciones de los bronquios, acentuando los síntomas del asma, dolores de cabeza… algunos de estos gases son, además, precursores en la producción de ozono, que es, a su vez, un gas de efecto invernadero, que tanto preocupa en estos días. Las normas europeas limitan la emisión de gases contaminantes de los vehículos de transporte privados o utilitarios y, sin embargo, por ahora, no hay un límite establecido para las emisiones de CO2 (o lo que es lo mismo, para el consumo de combustible). El CO 2 es el principal responsable del “efecto invernadero” y de sus efectos directos: el calentamiento de la Tierra y los desarreglos climáticos. La sensibilización a este problema, así como la subida del precio del combustible, está cambiando muy rápidamente la mentalidad de los consumidores de coches, de los ciudadanos en general y de los legisladores en la Unión Europea, que empiezan a lanzar medidas iniciativas para los consumidores y a hacer presión sobre los constructores de coches para que fabriquen vehículos más económicos.

El contexto actual: normas e incitaciones de la Unión Europea, las motivaciones del cliente • La presión de la Comisión Europea sobre los constructores de coches para la reducción de emisiones de CO2

La reducción del CO2 emitido por los vehículos es una de las prioridades de la Comisión

Europea. Ésta exige a los constructores de automóviles un esfuerzo creciente en el diseño de sus vehículos para que cada vez sean más económicos en el consumo de combustible. El indicador matemático utilizado por la Comisión Europea es el CAFE (Corporate Average Fuel Economy). Es la media ponderada por el volumen de ventas de las emisiones de CO2 del parque nuevo de vehículos vendido por un constructor. Así, un coche cuyas emisiones de CO2 sean elevadas pero poco vendido, tendrá un peso en el CAFE bastante limitado, mientras que un coche fuertemente vendido deberá tener un consumo reducido si el constructor quiere limitar su CAFE global. Este indicador refleja bien las emisiones de CO2 globales realmente recibidas por la atmósfera. Fue el congreso de EE UU el primero en utilizarlo en 1975 al imponer un límite máximo de CAFE para reducir el consumo de petróleo después de la gran crisis de 1973. Según muchos expertos, gracias a la regulación del CAFE, las emisiones de CO2 de los vehículos en EE UU se han mantenido más o menos constantes desde principios de los años 80, a pesar de la bajada del precio del petróleo. Volviendo a Europa, en el año 1999, la Asociación de Constructores Europeos del Automóvil (ACEA) se comprometió voluntariamente a alcanzar antes del 2008, un CAFE de 140 g/km. Este compromiso fue aceptado por la Comisión Europea en febrero 1999.

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• La incitación fiscal y la motivación de los compradores de coches para la reducción de CO2

Figura 2. Etiqueta consumo carburante Consumo de carburante y emisión de CO2 Marca: Citroën Modelo: C3 Versión: 5P 1.4 HDI Energía: Diésel Consumo

Consumo mixto:

de carburante

4,2 l/100 km Consumo urbano: 5,3 l/100 km Consumo no urbano: 3,6 l/100 km

CO2 Emisiones escasas de CO 100 g/km

110 g/km

2

A

101 a 120 g/km B

121 a 140 g/km

C

B 141 a 160 g/km

161 a 200 g/km

201 a 250 g/km

250 g/km

D

E

F

G

Emisiones elevadas de CO2

En febrero del 2007, la Comisión Europea fijó un nuevo objetivo todavía más ambicioso: un CAFE de 120 g/km en 2012. Los constructores de automóviles se comprometieron a hacer enormes esfuerzos, pero pidieron igualmente que las instituciones públicas y otros fabricantes se unieran al esfuerzo. El acuerdo final es el siguiente: • Los constructores de automóviles deben alcanzar un CAFE de 130 g/km vía la mejora del diseño de sus vehículos (rendimiento del motor, caja de cambios, características el vehículo…). • Los 10 g/km complementarios serán alcanzados gracias a otras tecnologías: indicador de cambio de marcha, mejora de los neumáticos, sistemas de climatización más eficaces el uso de biocombustible… La Figura 1 muestra la evolución del CAFE desde 1995 hasta hoy para cada uno de los constructores que venden coches en Europa, así como la trayectoria necesaria para alcanzar los 120 g en 2012. 24

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La Comisión Europea, además de exigir esfuerzos a los constructores de automóviles, quiere incitar a los compradores de coches a elegir modelos más eficientes. Una buena elección pasa por una buena información, por eso la Unión Europea exige a los vendedores de turismos nuevos que faciliten a los eventuales compradores información sobre el consumo de combustible y las emisiones de CO2. Esa información debe figurar en el etiquetado del vehículo, en los carteles y en todo el material de publicidad. El tipo de etiquetado elegido es del mismo formato que el ya existente para los electrodomésticos: una escala de mayor a menor eficiencia energética, graduado en letras y colores de la “A” a la “G”. Así, en el concesionario de coches, debe aparecer para cada vehículo una etiqueta como en la Figura 2. El “rendimiento energético” reflejado en estas etiquetas depende únicamente de las emisiones de CO2 globales del vehículo. Un coche pequeño, por ser pequeño, tendrá más facilidades para obtener una etiqueta de bajo consumo que uno grande, aunque el rendimiento energético del motor sea equivalente o incluso menor. Éste es uno de los puntos de batalla entre los constructores europeos. Aquéllos cuyo mayor volumen de ventas corresponde a coches pequeños, como los franceses, están interesados en este tipo de indicador. Los alemanes, cuyos coches son de media más grandes, defienden un indicador del tipo g CO2/km dividido por la masa del vehículo, o por la superficie proyectada en el suelo. Parece claro que desde un punto puramente ecológico, teniendo en cuenta que una gran mayoría de los trayectos en coche en Europa se hacen sin pasajeros, el indicador más coherente es el utilizado actualmente, pues refleja directamente la cantidad de CO2 recibido por la atmósfera. Además, bajo incitación de la Unión Europea, la mayoría de los países han puesto en marcha una fiscalidad vinculada con las emisiones de CO2, ya sea el impuesto de matriculación, de circulación o incluso, es el caso de Bélgica, un mecanismo de desgravación del impuesto sobre la renta. Las flotas de vehículos profesionales son objeto de grabaciones-incitaciones importantes. El último agente que incita a la reducción del consumo, y no el menos importante, es la subida del precio del carburante. El cliente

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• Cómo se mide el consumo y las emisiones de CO2 y de gases contaminantes

Hagamos un pequeño apar tado sobre la manera de medir el consumo, las emisiones de CO2 y los gases contaminantes. En cuanto al consumo, existen muchas medidas del consumo. Las revistas del automóvil, las asociaciones de consumidores y diferentes instituciones no oficiales hacen medidas de consumo de los vehículos. Para un mismo vehículo, según el tipo de circuito, el consumo de un coche puede variar del simple al doble (ver Figura 5). Por eso, la norma europea, mide en consumo según un ciclo bien definido . • Las emisiones de CO2 y gases contaminantes oficiales Antes de la puesta en venta de un vehículo en Europa (Japón, EE UU y China tienen sus propias normas), el constructor debe realizar la medida del consumo de su vehículo delante de una de las instituciones homologadas por la Unión Europea. Este consumo deberá ser anunciado claramente en la exposición de venta del vehículo, como ya hemos explicado anteriormente. El ciclo es siempre el mismo para todos los vehículos, y está definido por un perfil de velocidad en función del tiempo. Esta compuesto de dos partes: ECE, representativo de

Figura 3. Evolución límites reglamentarios de emisión de gases contaminantes gasolina 100 90

97,8

94,1

94,1

92,7

96,0 92,0

92,0

80

98,0

80,3

70 60 50,0

50 40

34,9

Referencia R15 1971 ex Vehículo de gasolina 1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

30 19,7

20

24,8 14,9

10

CO

0,0

0 1965

1970 1975

1980

1985

1990

1995

2000

HC

2005

2010

2015

Figura 4. Evolución límites reglamentarios de emisión de gases contaminantes diésel 100 90

97,3

96,6

94,7

87,1

89,7

85,5

80

95,8 94,5

94,5

91,1

82,1

82,1

82,1

70 64,3

63,5

60

64,3

60,5

50 42,9

40

42,9

Referencia R15 1971 ex Vehículo de gasolina 1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

30 20

CO

10

0,0

0,0

0 1980

1985

0,0

1990

HC + Nox

partículas

0,0

0,0

1995

2000

2010

2005

2015

Figura 5. Diferentes tipos de consumo vehículos 14

Vehículo MI 1400 cm3 de gasolina 11,7

12 9,7

10 8 6,9 6

7,1

7,5

8

8,5

8,7

8,8

11,9

10,2

8,8

6

4 2 0 au to Eu pi ro st a pa BU D EE C U U m ix to Jap on EE 15 U U Pr c en iu da sa d -C ar re Eu t ro er pe a o 99 1 00 Jap ón Pr 1 0en 15 sa -a ut op Pr ist en a sa -M ix ta Jap ón Pr en 10 sa -C iu da Eu d ro pa EC E

Las emisiones de gases contaminantes están limitadas en Europa para los motores gasolina desde el año 70, y desde el 82 para los motores diésel. Desde que la norma existe, las emisiones de los motores diésel han sido reducidas en un 95%, y en un 98% en los motores gasolina, lo que corresponde aproximadamente a dividir por 2 las emisiones ¡cada cinco o seis años! Las últimas normas aprobadas son las llamadas EURO 5 y EURO 6, con las que se endurecen todavía más los límites máximos. La norma EURO 5 será aplicada a partir de septiembre 2009 para los nuevos modelos, y en enero 2011 para todos los vehículos vendidos nuevos. La norma EURO 6 se aplicará aproximadamente 5 años más tarde. Los gases contaminantes limitados son: CO, HC (metálicos y totales), NOx y partículas. Las Figuras 3 y 4 permiten ver la evolución de la norma en el tiempo.

Reducción de las emisiones (%)

• La presión sobre la emisión de gases contaminantes

una conducción en ciudad y realizado cuatro veces consecutivas; y EUDC, representativo de la conducción en las afueras de la ciudad (ver Figura 6).

Reducción de las emisiones (%)

hoy en día esta mucho mas atento al consumo de su vehículo que hace unos años.

Consumo (l/100 km)

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U U

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EE

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res al vehículo (fundamentalmente la fuerza aerodinámica, el rozamiento de los neumáticos con la carretera y la masa inercial del vehículo en las fases de aceleración y deceleración), gracias a un freno eléctrico o hidráulico. Durante este ciclo, los gases de escape son recogidos y analizados. Se miden las emisiones de CO2 y de gases contaminantes.

20

Cómo disminuir el consumo

10

• Mejorando la definición del vehículo

Figura 6. Perfil del ciclo oficial Ciclo ECE

60 50 40

0

0

50

100

200

150

250

Tiempo (s)

Ciclo EUDC

140 120 100 80 60 40 20 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400≠

Tiempo (s)

Figura 7. Evolución de la masa media en gasolina y diésel La masa de los vehículos no deja de crecer desde 1984, lo cual se debe en parte al aumento de la seguridad y a la multiplicación de los equipos de confort (ventanillas eléctricas, climatización) que compensan la pérdida de peso relacionada con el aligeramiento de los materiales. 1400 1300 1200 1100 1000 900

19

84 19 8 19 5 86 19 87 19 88 19 8 19 9 90 19 9 19 1 9 19 2 93 19 94 19 95 19 9 19 6 97 19 9 19 8 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05

800

Total general

Total gasolina

Total diésel

Para que la medida sea repetitiva, no se realiza en pista sino sobre un banco de rodillos. Como el vehículo permanece físicamente a velocidad nula, el banco simula las fuerzas exterio26

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DISMINUYENDO LA MASA

La disminución de la masa tiene un “efecto virtuoso sobre la masa”. Cuando se ganan kilos en un coche, se puede reducir la masa del equipo de frenado, ya que éste será dimensionado para frenar menos inercia. El mismo círculo virtuoso se produce sobre el dimensionamiento de la estructura para la seguridad en caso de choque. Cuanta menos masa tenga el vehículo, menos energía es necesario absorber en caso de choque, y menos material absorbente será necesario integrar en la estructura. El sistema de enfriado de aire y agua puede igualmente ser reducido al reducir la masa del vehículo puesto que la situación dimensionante, que es el vehículo a su carga máxima en cuesta o remolcando una caravana, la necesidad de potencia del motor será menor y por tanto, la necesidad de disipación de energía será menor. Se puede reducir entonces el tamaño del radiador, de los ventiladores… Otro efecto virtuoso de la masa se produce en los motores diésel, a través de la emisión de gases contaminantes. Un coche más ligero consumirá menos combustible y producirá, por simple proporción, menos gases contaminantes. En los motores diésel, el reglaje de la combustión es un equilibrio entre el consumo y la emisión de NOx, de manera que si la emisión de contaminantes es baja, se puede optimizar este compromiso en favor del consumo. Al final, la reducción de 100 kg en un coche reduce el consumo entre 0,15 y 0,25 l/100 km (unos 4 a 7g de CO2 en gasolina y diésel). La tendencia del mercado ha sido globalmente al aumento constante de la masa debido a la multiplicación de equipamientos para el confort (climatización, motores eléctricos para el elevalunas, el reglaje de los asientos) el dimensionamiento para la seguridad en caso de choque, la presencia de airbags… La utilización de materiales menos pesados, aunque la ha reducido, no ha conseguido equilibrar esta tendencia.Todo parece indicar que, bajo

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Figura 8.Tipos de dirección asistida HIDRÁULICA

ELECTRO-HIDRÁULICA

ELÉCTRICA Calculador

Depósito Bomba

Circuito Hidráulico

Mecanismo Válvula

Mecanismo

Motor Válvula

Captador de par

Electrobomba (motobomba, electrónica, depósito, soporte) Reductor de marchas y tornillo sin fin

Circuito Hidráulico

Mecanismo

Consumo: 0,2 - 0,3 1/100 (5 - 8 g/km CO2)

la presión creciente sobre las emisiones de CO2, esta carrera se esté calmando. En la Figura 6 se puede ver la evolución de la masa desde 1984 en gasolina y diesel. MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LOS NEUMÁTICOS

Los neumáticos son los responsables del 1520% del consumo de un coche, pero son también el elemento de unión del coche con la carretera. La definición del neumático impacta directamente las prestaciones del vehículo en la estabilidad en las curvas, la distancia de frenado, el confort vibratorio, la emisión de vibraciones acústicas, la duración de vida del neumático… y estas prestaciones son muchas veces contrarias a un neumático de alto rendimiento energético. Se está produciendo actualmente una gran evolución técnica en los neumáticos. El fabricante Michelin parece ser el más adelantado, y propone actualmente una gama de neumáticos que reducen el consumo guardando constantes el resto de prestaciones. Estos nuevos neumáticos pueden reducir el consumo entre 4 y 7 g CO2/km respecto a neumáticos clásicos. REDUCIENDO EN COEFICIENTE AERODINÁMICO SCX

La fuerza externa al vehículo debido a rozamiento aerodinámico es 1/2 .
. S . Cx, siendo S la superficie frontal del coche y Cxel coeficiente aerodinámico. La fuerza aerodinámica se puede reducir mejorando la superficie del coche, a través del diseño de la silueta global, pero también reduciendo el Cx, también a través del diseño, creando formas aerodinámicas fluidas o a través de componentes como alerones o placas aerodinámicas en el bajo del coche. Para un mismo concepto de coche (monovolumen pequeño, gran berlina, deportivo…),

Consumo: + 0,1 1/100 (1 - 3 g/km CO2)

Consumo: + 0,02 1/100 (0,5 g/km CO2)

un SCx bien optimizado puede hacer ganar entre 2 y 4 g/ CO2 sobre las emisiones totales de CO2 en el ciclo oficial. A más altas velocidades, el beneficio es mayor, ya que la potencia aerodinámica crece con el cubo de la velocidad. DISMINUYENDO LOS ROZAMIENTOS INTERNOS DEL VEHÍCULO

Los principales responsables del rozamiento interno del vehículo son los rodamientos y el rozamiento residual de las plaquetas de freno. Para reducir el rozamiento de los rodamientos, los constructores de coches exigen continuas mejoras a sus proveedores. En cuanto a las plaquetas de freno, el problema es que muchas veces las plaquetas de freno pueden no volver a su posición inicial después de un frenado, produciendo un rozamiento residual con el disco. Para que el conductor no tenga la impresión de tener una “carrera muerta” en el recorrido del pedal del freno y que la frenada sea eficaz con los primeros milímetros de desplazamiento del pedal, la distancia entre las plaquetas y el disco se reduce lo máximo posible, lo que aumenta las posibilidades de que el rozamiento se produzca. El diseño de un coche es un constante compromiso entre muchas prestaciones: el consumo por supuesto, pero también distancia de frenado, capacidad en las curvas, confort, seguridad… LAS TECNOLOGÍAS DE DIRECCIÓN ASISTIDA

La función de la dirección asistida es de reducir el esfuerzo necesario sobre el volante del vehículo para hacer girar las ruedas. Las cuatro tecnologías más utilizadas de dirección asistida son: • La dirección hidráulica. Es el sistema más antiguo. La bomba que presuriza el aceite de comando del sistema de dirección está directamente unida al cigüeñal y funciona de manera continua. El exceso de presión es evacuado

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por una válvula. Este sistema permite buenas prestaciones de dirección para grandes vehículos y además no es muy caro.Tiene el inconveniente de ser poco económico en combustible puesto que la bomba esta dimensionada para la situación más exigente (el estacionamiento) y la diferencia entre la presión producida y la presión necesaria en el resto de las situaciones es en realidad una pérdida de energía. Este tipo de dirección asistida consume unos 0,2-0,3 l/100 km (5-8 g CO2/km). • La dirección hidráulica de cilindrada variable. La dirección hidráulica de cilindrada variable funciona sobre el mismo principio que la dirección hidráulica clásica pero se puede pilotar la energía de presurización a través de la cilindrada de la bomba en función de la necesidad del momento, lo que reduce el consumo. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km). • La dirección electro-hidráulica. En este caso, una bomba eléctrica remplaza la bomba de la dirección hidráulica clásica y tiene la misma función de presurizar el circuito hidráulico de comando. La ventaja, al igual que en la dirección hidráulica de cilindrada variable, es que se puede adaptar la energía de presurización en el circuito de comando en función de la necesidad de asistencia del momento. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km). • La dirección eléctrica. En el caso de la dirección eléctrica, el circuito hidráulico es remplazado por un sistema eléctrico. Es el sistema que menos combustible consume, ya que además de adaptarse, como en los casos anteriores, a la necesidad de asistencia, Figura 9. Cartografía de consumo del motor: líneas de iso-rendimiento Carto motor térmico (N[rpm], C[Nm], consumo[g/kwh]) 180

Par del motor térmico (Nm)

Isopotencia a 14,6 kW

160 140 120

Isopotencia a 8,4 kW

100 80 60 40 20 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Régimen del motor térmico (rpm)

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no tiene tantas pérdidas, de manera que en línea recta el consumo es casi nulo. El problema de la dirección eléctrica es que no consigue imitar totalmente la sensación de la dirección hidráulica al volante, al no tener el amortiguamiento que permite el circuito hidráulico. Este tipo de dirección asistida consumo unos 0,02 l/100 km (0,5g CO2/km). LA ADAPTACIÓN DE LA DESMULTIPLICACIÓN DE LA CAJA DE CAMBIOS

Los ratios de desmultiplicación de las marchas pueden ser elegidos para mejorar el consumo del coche. De manera general, cuanto más desmultiplicada sea una marcha, menor será el consumo del coche para una misma potencia desarrollada por el motor. Veamos el porqué. El consumo de un motor puede representarse como una función que depende de dos variables: régimen y par, o, lo que es lo mismo, régimen y PME (presión media eficaz en el pistón) o régimen y potencia (a un régimen dado, PME, par y potencia están directamente unidos). En función de cómo se exprese esta función, se obtienen las siguientes representaciones: Consumo (g combustible/Kwh.) en función del régimen y del par (ver Figura 9). Se representan las líneas de iso-rendimiento. Esta representación tiene la ventaja de visualizar la zona de rendimiento óptimo (en el caso de la Figura 9, entre 2.000 y 3.000 tr/min y 120-160 Nm) y de visualizar el hecho de que a un régimen dado, el rendimiento es mayor cuanto mayor es el par motor, hasta la zona de par máximo, donde el rendimiento se degrada. Para hacer avanzar un vehículo a una velocidad dada, es necesario cierta potencia motor. Esta potencia motor puede obtenerse a bajo régimen y alto par o a alto régimen y bajo par, puesto que P = C*N. La función de la caja de cambios es precisamente de adaptar el régimen del motor. Una caja de cambios continua (tipo variador continuo) permite desplazarse sobre esta línea de isopotencia (en el grafico se han representado las isopotencias 8,4kW y 14,6kW). Pues bien, como es fácil deducir, para una misma potencia, los puntos más interesantes se encuentran a bajo régimen y fuerte par. La tendencia se invierte solamente a régimen muy bajo (en la Figura 9, para la isopotencia de 14,6kW, la tendencia se invierte a 1250 tr/min). Otra representación, en mi opinión mucho más sencilla y clara, es la llamada “rectas de Willans” (Figura 10). En ella se representa el

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consumo horario (g/h) en función de la potencia del motor para un régimen dado. La ventaja de esta representación es que permite ver que el consumo del motor es una función lineal en la mayor parte de la zona de funcionamiento. Si seguimos el mismo razonamiento, a una potencia dada, la desmultiplicación de la caja de cambios permite moverse a regímenes diferentes (cambiando el par, de manera que P=C*N=cte) sobre una línea paralela al eje “y”. La intersección con la recta de consumo al régimen de funcionamiento indica el consumo. Como en la representación anterior, es fácil ver que cuanto menor es el régimen del motor, más bajo será el consumo.

los aceites muy fluidos pueden diluirse en el combustible o no asegurar el arrancado en frío). • Decalaje del eje de cilindros respecto al eje del pistón. DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA EN LA MARIPOSA EN GASOLINA

Antes de entrar en más detalles, una pequeña explicación muy simplificada de por qué los motores gasolina consumen más que los diésel. Dos razones principales: • En los motores gasolina, la regulación de la potencia del motor la hace el conductor sobre el pedal del acelerador que, a su vez, va a

EL INDICADOR DE CAMBIO DE MARCHA

Últimamente están saliendo al mercado vehículos provistos de un indicador en el tablero de bordo que muestra al conductor la marcha más adecuada en cada momento para optimizar su consumo. Si el conductor sigue este indicador se pueden ganar entre 2 et 8 g CO2/km en función del tipo de trayecto. Por el momento, el ciclo oficial impone la marcha a seguir, de manera que el indicador no aporta ninguna ventaja en el consumo oficial. • Mejorando la definición del motor

Figura 10. Rectas de Willans Rectas de Willans 25000 20000 15000 10000 5000 0 0,0

DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR ROZAMIENTOS INTERNOS

La diferencia entre la potencia eficaz a la salida del cigüeñal y la potencia producida interna del motor es debida al rozamiento interno del motor. Muchas son las vías estudiadas por los fabricantes de motores para disminuir estas pérdidas. Algunas de ellas son las siguientes: • Mejorar el acabado superficial de las paredes del cilindro optimizando el procedimiento de fabricación del bloque motor. • Reducir el taraje de los segmentos (hasta cier to limite, puesto que hay que asegurar que el aceite no remonte a la cámara de combustión). • Mejorar los rodamientos que mantienen el eje de levas, o el cigüeñal. • Remplazar a bomba de aceite clásica por una bomba de aceite de cilindrada variable que adapta la energía de presurización a la necesidad de lubricación en el circuito. • Remplazar la bomba de agua clásica por una bomba de agua desconectable en función de la necesidad de flujo de agua. • Utilizar aceites en el motor y en la caja de cambio de baja viscosidad. El límite está en que

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

70,0

60,0

80,0

90,0

Potencia (kW) 1000 rpm 3500 rpm

1500 rpm 4000 rpm

2000 rpm 4500 rpm

2500 rpm 5000 rpm

3000 rpm 5500 rpm

Figura 11. Motor que permite la desactivación de cilindros FRUGAL V6 El grupo posterior de cilindros se cierra con carga reducida, pero los gases atrapados los mantienen en movimiento. El consumo de combustible mejora hasta en un 20 por ciento.

El control variable de cilindros de Honda cierra totalmente un grupo de cilindros, reduciendo las pérdidas de bombeo en un 65 por ciento. El ruido y las vibraciones de los tres cilindros se suprimen mediante bancadas activas del motor.

El sistema MDS (sistema de multidesplazamiento) de Chrysler de su nuevo V8 Hemi suprime dos cilindros de cada grupo de cuatro. El equilibrio se mantiene y Chrysler afirma que el cambio de régimen no es detectable por el usuario.

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Figura 12. Sistema Valvetronic de BMW Muelle recuperador

Árbol de levas

Corredera Media rueda dentada + árbol excéntrico

Palanca

Taqué Empujador hidráulico Tornillo sin fin

Válvula Válvula cerrada Apertura media

modificar la posición de la mariposa. Pues bien, el aire que entra en la admisión del motor encuentra el obstáculo de la mariposa en su camino, lo que produce una pérdida de carga (pérdida de energía). Cuanto menos potencia se necesita, más cerrada estará la mariposa y mayor será la pérdida de carga. Sin embargo, en los motores diésel, la regulación de la carga se hace a través de la cantidad de combustible inyectado (la combustión en diésel no es estequiométrica). Los motores diésel ganan en pérdida de carga en la admisión. • La segunda razón por la que un motor diésel consume menos que un motor gasolina es porque cuando compramos un litro de diésel estamos comprando en realidad más energía que un litro de gasolina puesto que el PCI volumétrico es mayor. El consumo en litros de combustible es mayor en gasolina que en diésel. Si el consumo se anunciase en kg de combustible, la diferencia se reduciría casi totalmente. Las tecnologías siguientes buscan reducir esta pérdida de carga: • Desconexión de un conducto de admisión por cilindro (en los motores que tienen dos válvulas de admisión) gracias al slider onoff, que se desplaza cerrando un conducto en cada cilindro. Este sistema tiene dos ventajas: reduce las pérdidas de carga en la mariposa y además permite una entrada de aire más aerodinámica en el cilindro, factor fundamental a baja carga para optimizar el consumo. • Desactivación de cilindros: varios vehículos en el mercado utilizan o han utilizado esta tecnología. La idea es desconectar varios cilindros cuando la necesidad de potencia es baja. Se puede, en un motor cuatro cilindros, 30

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desactivar dos de ellos, o en un motor V8, desactivar 4 (dos internos en una fila de cilindros y dos externos en la otra fila) o en V12, desactivar 6 cilindros. De esta manera, se reducen las pérdidas internas del motor y se reducen las pérdidas de carga en la mariposa. La dificultad de este sistema es controlar el paso de un tipo de funcionamiento a otro porque se producen fácilmente discontinuidades en el par motor, lo que ocasiona una discontinuidad molesta para los pasajeros en la aceleración. Físicamente, la desactivación de los cilindros se hace cerrando las válvulas de admisión y de escape. Existen varios sistemas en el mercado más o menos complejos y eficientes. La idea general es desolidarizar el árbol de levas con la leva o con la válvula correspondiente a las admisiones y escape del cilindro desactivado. El pistón, como está unido al cigüeñal (y éste sigue girando con el par producido por los cilindros que siguen el funcionamiento) sigue haciendo su recorrido de compresión y de admisión. El gas encerrado en el cilindro es siempre el mismo. Termodinámicamente, como casi no hay pérdidas, el ciclo es adiabático, así que la energía perdida en comprimir el aire es restituida al cigüeñal cuando éste se expande (la suma de las energías en nula). Este sistema permite un ahorro de combustible de 5 al 10% en función del tipo de motor y del vehículo. • Sistema “Valvetronic”: (ver Figura 12) este sistema, utilizado por BMW, regula gran parte de la carga gracias a la apertura variable de las válvulas de admisión. Un sistema mecánico bastante complejo es capaz de hacer variar la altura de apertura de las válvulas. El sistema “Valvetronic” permite un ahorro de combustible de 6 al 10% en el ciclo oficial. • Sistema de apertura de válvulas electromagnético: (ver Figura 13) la idea es la de remplazar el árbol de levas por unos accionadotes electromagnéticos que comandan las válvulas. De esta manera se optimiza, para cada punto de funcionamiento, la altura de apertura de la válvula y el momento en que se abre y se cierra. Esta tecnología proporciona entre 8 y el 12% de ahorro de energía. EL DOWN-SIZING

Este término inglés significa reducir la cilindrada del motor y, gracias a un turbo, obtener la misma potencia. Se puede remplazar así un 2.0 l atmosférico por un 1.6 l T o un 2.4 l atmosférico por un 2.0 l T. Las ventajas de un motor más pequeño son varias. Por un lado, se reducen las pérdidas por rozamiento por

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simple efecto del tamaño del motor. Por otro lado, al ser la cilindrada más pequeña para una misma potencia necesaria, la presión en el cilindro será mayor, lo que nos acerca de los puntos de funcionamiento óptimo. El inconveniente de un motor turbo es el tiempo de respuesta de la sobrealimentación, aunque la progresión de este aspecto ha sido enorme en los últimos años.

Figura 13. Sistema de apertura de válvulas electromagnéticas Accionador Electroimán Lengüeta Electroimán Resorte accionador

Resorte de válvula

STOP & START

El principio de esta tecnología es apagar el motor cuando no se necesita potencia, es decir cuando el vehículo esta parado o en deceleración. La ventaja de este sistema es, evidentemente, el ahorro de combustible, y también la ausencia de vibraciones y ruido cuando el coche esta parado en atascos o en los semáforos. El inconveniente, que los constructores de coches saben hoy reducir, es la molestia sonora y vibratoria cuando el coche arranca. Este sistema permite ganar entre 6 y 12 g de CO2/km, en función del vehículo, del motor y de las condiciones en que el motor pueda apagarse. HÍBRIDOS

Válvula

Posición de válvula cerrada

Posición de equilibrio

Posición de válvula abierta

Figura 14. Arquitectura de vehículo híbrido Generador Batería Transmisión híbrida

Motor de gasolina

Hay muchos sistemas híbridos en mercado, en función de cómo se integren el o los motores eléctricos y el motor térmico. En un vehículo híbrido eléctrico, además de un motor térmico, existe un motor eléctrico y un sistema de acumulación de energía. La energía acumulada puede ser utilizada como potencia motriz. Es decir, para una potencia demandada por el conductor, el motor térmico puede apor tar el 100%, o solamente el 80% y el 20% restante es el motor eléctrico que la aporta gracias a la energía acumulada previamente (en una batería o un super-condensador). De esta manera, en aceleración, la potencia del vehículo será la suma de la potencia térmica y eléctrica, lo que permite, a prestaciones constantes respecto a un vehículo normal, hacer uso del down-sizing (utilizar un motor térmico más pequeño) con todas las ventajas descritas anteriormente. Otra ventaja es la recuperación de energía en el frenado. En vez de disipar la energía en las pastillas de freno, el motor eléctrico puede funcionar de manera invertida, acumular la energía en la batería, al mismo tiempo que ofrece la deceleración demandada. La mayor parte de los vehículos híbridos incorporan la función Stop & Start descrita anteriormente.

Motor eléctrico Dispositivo divisor de potencia Engranaje reductor

Algunas arquitecturas de vehículos híbridos permiten, además, la posibilidad funcionar sin el motor térmico a baja velocidad y baja carga (el Prius de Toyota, p. ej.), lo que permite funcionar sin emisiones ni ruido. Esto es posible durante un tiempo limitado, puesto que la batería o el super-condensador se vacían durante este tiempo y es necesario arrancar el motor térmico para cargar las baterías. El sistema híbrido aporta entre 25 y el 30% de ahorro de combustible sobre el ciclo oficial. En la Figura 14 se ve la arquitectura simplificada del Toyota Prius. El motor eléctrico, el motor térmico y el generador están unidos a un tren epicicloidal. El tren epicicloidal funciona como un derivador de potencia, repartiendo la potencia del motor térmico entre las ruedas del vehículo y el generador.

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