Los motores y combustibles de los automóviles de hoy y del futuroMariano Alarcón García

Tecnologías del Siglo XXIAula SeniorUniversidad de Murcia2009/10

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Los motores y combustibles de los automóviles de hoy y del futuro

¿Están los motores de gasolina y diésel en sus últimos estertores?Cómo se evita (o se reduce) la contaminación de los motores

clásicos. ¿Qué son las pilas de combustible? ¿Cómo son los coches con motor eléctrico? ¿Qué son los motores híbridos? ¿Hay otros motores en estudio? ¿Hasta cuándo durará el petróleo? Si se acaba, ¿cómo podemos sustituirlo? ¿Es el hidrógeno una alternativa al petróleo? ¿Y los biocombustibles?

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El automóvil en la encrucijada

Es uno de los principales símbolos del siglo XX.

Principales problemas que afectan al automóvil en la actualidad:Agotamiento del petróleo (próxima escasez de combustibles convencionales: gasolina y gasóleo)Emisiones contaminantes: las tóxicas o nocivas para el organismo y el CO2(causante del cambio climático)Problemas de atascos en las ciudadesSeguridad en las carreteras: concienciación social del elevado número de accidentes

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El motor en el automóvilEl motor es el elemento que permite el movimiento autónomo del automóvil. Diversas motorizaciones a través de la historia:

máquina de vapor motor de gasógeno motores de combustión interna o térmicomotor eléctrico, etc.

Los automóviles actuales utilizan mayoritariamente combustibles derivados del petróleo (fósiles): gasolinas y gasóleos.Retos actuales:

ContaminaciónSustancias tóxicas: CO, HC, NOx, hollín…CO2

Agotamiento de los derivados del petróleoGas naturalBiocarburantes: bioetanol, biodiésel, biogásHidrógenoEléctricoSolar

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Combustibles para el automóvil

Diversos combustibles en los primeros automóviles: carbón y madera(máquina de vapor, motor de gasógeno, etc.)El desarrollo del automóvil se inició con la invención de los motores de combustión, que coincidió con el descubrimiento del petróleo, que influyó decisivamente en su desarrollo y popularización.Combustibles actuales más extendidos

GasolinaGasóleo

Alternativas ante el agotamiento de los combustibles fósilesSustitutos de los derivados del petróleo

Gas naturalBiocarburantes: bioetanol, biodiesel, biogás

EléctricoHidrógenoSolar

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El motor de combustión internaEl motor de combustión interna es el utilizado en la práctica totalidad de los vehículos de carretera y ciudad.En su interior se produce una combustión y unos gases a alta presión

y temperatura que producen el movimiento del motor.

En un motor, en una combustión ideal, se produciría anhídrido carbónico (CO2) y agua (H2O). En el escape se encuentra nitrógeno, procedente del aire, en su mayor parte sin ninguna transformación en el motor.

En los motores reales se producen también emisiones contaminantes.

AIRE

+

CARBURANTE

CO2 +

H2O +

N2

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Motores de gasolina

Evolución en los últimos añosEliminación de gasolina sin plomoGeneralización de catalizadores (sonda lambda, de oxidación, etc.).Generalización de inyección: mucho mejor control del combustibleutilizado.Funcionamiento con mezclas pobres para el mejor rendimiento y reducción de emisiones (motores de inyección directa de gasolina).Sistema start and stop para el ahorro de combustible.

Logros: Reducción de los consumos y del CO2 y emisiones tóxicas (HC, CO...)

Dificultades: Resultados decepcionantes frente a la tecnología desplegada (disminución del 10% del consumo y del 15% de la producción de CO2.)

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Motores diésel

El motor diesel ha evolucionado mucho en el último decenio. La aparición de las inyecciones directas con control electrónico(common rail), ha motivado una mejora espectacular del rendimiento y consumo, a la vez que de la potencia.Introducción de catalizadores de oxidación-reducción para la eliminación de los contaminantes tóxicos y filtros de partículas.

Logros:Mejora rendimiento y reducción de consumo reducción de CO2Mejora de par y potencia para una cilindrada dadaMejora en “el placer de conducción”

Dificultades: Emisión de NOx siguen siendo muy altasEmisión de partículas; preocupación por las PM10 (< 10 micras) Olores del carburante

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Consumo de los motores actuales

Se establecen mediante unos ciclos teóricos de comparación:UrbanoExtraurbanoCombinado

Tendencias generales (a igualdad de otros factores)Motores diésel menor consumo que motores de gasolinaMenor cilindrada menor consumoMenor peso del vehículo menor consumoLa forma de conducción es muy importante en el consumo

ActualmenteTurismos de tamaño pequeño/medio ≅ 3-4 L/100 km

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La contaminación producida por el automóvil

El automóvil es el principal responsable de la contaminación en las ciudades.Los automóviles actuales utilizan mayoritariamente gasolinas y gasóleos.Su combustión produce principalmente:

Compuestos tóxicos:Monóxido de carbono (CO), venenoso (gasolina)Hidrocarburos (HC) , afecta al aparato respiratorio, cancerígenos (gasolina) Óxidos de nitrógeno (NOx), afecta al aparato respiratorio y la lluvia ácida (gasóleo) Hollín y otras partículas menores, afecta al aparato respiratorio, cancerígeno, suciedad…(gasóleo)

Dióxido de carbono o CO2, no es tóxico pero es el principal causante del cambio climático.

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Contribución del automóvil a la contaminación

4 %25 %43 %53 %Porcentaje transporte por carretera

Los vehículos pesados producen el 35 % de los NOx siendo el 8 % del tráfico.Los vehículos de dos ruedas producen el 16 % CO siendo el 4% del tráfico.

7547267686150Total

0421209Agricultura

11349168Otros transportes

202220832816Residencial

435494223Centrales térmicas

859182414Industria

31187729680Transp. por carretera

SO2CO2CONOX

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Motor eléctricoSe sustituye el motor de combustión por uno eléctrico, y el tanque de carburante por una batería eléctrica de gran capacidad.Ventajas :

Buena adaptación del motor eléctrico a la circulación urbana. No produce contaminación urbanaPar importante a bajo régimen (máximo entre 0 a 1600 rpm) Supresión de caja de cambio de velocidadesNo hay contaminación acústica

Inconvenientes : Autonomía y prestaciones limitadas Largo tiempo de carga de las bateríasContaminación producida por la fabricación de electricidad (nuclear, centrales térmicas,…) Reciclaje de las bateríasCosto actual

El motor eléctrico es en la actualidad la mejor alternativa para cubrir la demanda de modelos de emisiones cero.

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Motor eléctrico (2)El desarrollo del motor eléctrico

Se encuentra en pleno desarrollo en el mundo entero: prácticamente todos los constructores han anunciado modelos en un futuro próximo.Apoyo decidido en España:

Ayudas a la fabricación (p.e. Renault)Proyecto MOVELE(http://www.idae.es/index.php/mod.pags/mem.detalle/id.407)

introducción en dos años (2009 y 2010), dentro, de 2.000 vehículos eléctricos de diversas categorías, prestaciones y tecnologías, de entornos urbanosRed de Electrolineras: instalación de 500 puntos de recarga.

Plan experimental en Madrid, Barcelona y SevillaEn la Región de Murcia se ha firmado un acuerdo con una empresa privada para el mismo fin.

Ayudas a la compra de vehículosLa Universidad de Murcia dispone de varios vehículos de este tipo para su uso interno en el Campus.

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Motor híbridoConsiste en acoplar un motor térmico a un motor eléctrico. Tiene dos sistemas de propulsión que actúan de modo coordinado,

un motor de combustión (comercial hasta ahora gasolina)un motor eléctrico.

Cuentan con dos fuentes externas de energía: la red eléctrica doméstica (que carga una batería) y un combustible (gasolina, etanol o gasóleo)El motor eléctrico actúa a baja velocidad (ciudad), siempre que la batería tenga cargaEl motor de combustión

carga la bateríaentra a velocidades altas y cuando se agota la batería

Ventajas : Mismas ventajas que el motor eléctricoAutonomía del vehículo Aprovechamiento de la frenada para la recarga de las baterías

Inconvenientes : Coste actual Complejidad

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Coches con motor híbrido comercial

El primer coche híbrido comercial fue el Toyota Prius, http://www.toyota.es/cars/new_cars/prius/index.aspx?WT.mc_id=Knowledge&WT.adsite=Google&WT.srch=1.

Combinamotores eléctricos (60 kW) motor de gasolina (73 kW a 5.200 rpm).

Batería de alto voltaje (201,6 V).Consumo combinado (llantas de 15"): 3,9 L/100 kmCO2 combinado (llantas de 15"): 89 g/km

Muchos otros fabricantes han anunciado el próximo lanzamiento de sus vehículos.Para 2011 Peugeot ha anunciado el primer híbrido diésel.Híbridos enchufables: la carga de las baterías puede producirse también de la red eléctrica (no sólo por el motor de combustión)

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Coche de hidrógeno¿Por qué el hidrógeno?

El hidrógeno es un elemento muy abundante en la Naturaleza. Se encuentra combinado con oxígeno, formando agua, u otros muchos elementos, formando diversos compuestosLa utilización en el punto de consumo tiene muy bajo impacto ambiental: solo produce (vapor de) agua.El hidrógeno en el automóvil se puede utilizar

En motores de combustión interna, con adaptaciones.En las “pilas de combustible”, donde el combustible (hidrógeno) reacciona con el oxígeno del aire para generar directamente electricidad y desprender vapor de agua.

El principal problema ambiental reside en la obtención del hidrógeno, al no ser un recurso natural, es preciso producirlo a partir de un compuesto que lo contenga, como el gas natural(alto contenido en metano o CH4).

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El hidrógenoo El hidrógeno posee buenas características como combustible

• elevadísimo Poder Calorífico por kilogramo• bajo Poder Calorífico por litro a bajas y medias presiones• ausencia de emisiones contaminantes• carácter explosivo, problemático su almacenamiento y manipulación• no existe en la naturaleza en estado libre en proporciones importantes• alto precio.

o Existen distintos procedimientos para su obtención• Rectificado de hidrocarburos (gas natural) y otros productos orgánicos que contienen H2• Electrólisis del agua: es el más desarrollado; descompone el agua en hidrógeno y oxígeno, mediante la aplicación de una corriente eléctrica. La eficiencia del proceso de electrólisis es del orden del 70%.• Fotólisis y otros

o Está considerado como una de las fuentes energéticas del futuro, siendo obtenido a partir de fuentes renovables de las que actuaría como almacén.

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Coche de hidrógenoMotor de pila de combustible

Es la opción preferida para el hidrógeno por su mayor rendimiento, simplicidad, funcionamiento silencioso, etc.Pila de combustible: pone en contacto hidrógeno con oxígeno a través de un catalizador produciendo electricidad. Esta electricidad es utilizada por un motor eléctrico.

Ventajas : Ídem a los vehículos eléctricos

Inconvenientes : Elevado coste actual Fabricación y almacenamiento del hidrógeno.

La producción en masa de coches de hidrógeno no se prevé viable hasta, como pronto, en 2020

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Coche de hidrógenoMotor de pila de combustible en transporte público

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Otros combustibles fósiles menos contaminantes

Combustibles derivados del petróleoGLP: butano y propano

Motor Otto (como gasolina)Combustión muy limpiaDisponible en estaciones de servicioMás barato (hoy) que los combustibles líquidos

Gas natural comprimido o licuadoMotor Otto (como gasolina)Combustión muy limpiaGN comprimido (gas): alta presión (coches)En otros países en estaciones de servicio En España hoy se usa principalmente en flotas de autobuses urbanos (GN licuado).

Motores bi-fuel: puede funcionar con dos tipos de combustible (p.e.: gasolina y butano)

1. Motor

2. Sistema electrónico

3. Regulador de presión

4. Catalizador (emisiones contaminantes)

5. Depósitos (gn a 200 bar)

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Otros combustibles Biocarburantes

Combustibles renovables: biocarburantesObjetivo europeo del 5,75% en 2010Bioetanol

Sustituto de las gasolinasSe incorpora ya en forma de ETBE para como antidetonante

BiodiéselSustituto del gasóleoSe incorpora ya sustituyendo en parte al gasóleo

BiogásMuy desarrollado en países como Suecia, que tienen redes de distribución y se puede repostar en estaciones de servicioEn España en coches de demostración (Aguas de Murcia)

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Otros motores

Ha habido muchas realizaciones experimentales, que por diversos motivos no han llegado a cuajar.

Motor de aire: Una turbina impulsada por aire comprimido mueve las ruedasEl aire se comprime con un compresor eléctrico y se almacena en botellas.No produce contaminación alguna (expulsa aire), excepto en producir la electricidad.Relativamente ruidoso

Motor de agua:Mito: el agua no es combustible no se puede extraer energía de ellaSe obtiene hidrógeno del agua mediante un compuesto químico (catalizador); el hidrógeno se puede introducir en pila de combustible o motor de combustiónEl catalizador (patente) muy caro y se deteriora fácilmente.

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A favor de coches menos contaminantesImpuesto de matriculación

Tipos para la península y BalearesSobre el precio base para el IVA (16%)

12%• Los no comprendidos en los anteriores • Motocicletas de más de 250cc

Epígrafe 5º

14,75%• Emisiones de CO2 de 200g CO2/km o más • Vehículos M1 (turismos) y N1 (transporte) que no acrediten

las emisiones• Quads• Vehículos N2 y N3 (transporte) acondicionados como vivienda

Epígrafe 4º

9,75%• Emisiones de CO2 de 160 a 199 g CO2/kmEpígrafe 3º

4,75%• Emisiones de CO2 de 121 a 159 g CO2/kmEpígrafe 2º

0%• Emisiones de CO2 hasta 120g CO2/km• Vehículos con un motor que no sea de combustión interna

Epígrafe 1º

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A favor de coches menos contaminantesPlan 2000E

Hasta 2000 € (500 Gobierno + 500 CC.AA. + 1000 fabricantes)Particulares, autónomos y PYME en vehículos de importe máximo de 30.000 € (IVA/IGIC incluido) en sustitución de otro para achatarramiento (> 10 años).En el caso de adquirir un turismo de categoría M1 debe cumplir:

Emisiones de CO2 no superiores a 120 g/kmEmisiones de CO2 no superiores a 149 g/km y

sistemas de control electrónico de estabilidad y detectores presenciales en plazas delanteras o, catalizador de 3 vías (gasolina) o dispositivos EGR de recirculación de gases (diesel).

Se estima que en 2009 (230.000 operaciones)94% de turismos y un 92% sobre coches nuevos, reducción de las emisiones de CO2 de 180.000 toneladasahorro de 75 millones de L de carburante 32 M€ menos en importaciones de petróleo.

En 2010 hasta 100 M€ y 200.000 vehículos

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Otras ayudas para la eficiencia energética en la movilidad

Existen diversas ayudas directas para la adquisición de vehículos menos contaminantes y movilidad:

3000 € para coches con motor híbrido o eléctrico en la CARMProyecto MOVELEPlanes de movilidad sostenible

Transporte público urbano e interurbanoTransporte de empresas

Recomendaciones para reducir el consumo

Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE)

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Uso correcto del vehículo

Planificar las rutas que seguimos en nuestros desplazamientos, buscando siempre las menos congestionadas. Evitar sobre cargas innecesarias en el vehículo. P.e.: el uso de la baca, aún estando esta vacía puede incrementar el consumo normal del vehículo entre un 2 y un 35%. El uso del aire acondicionado aumenta en un 20% el consumo de combustible. Al tener las ventanillas abiertas aumentamos la resistencia con el aire del vehículo, aumentando con ello el consumo. Algunos vehículos permiten usar gasolinas de distintos octanajes. Lo mejor, es usar la recomendada por el fabricante y a ser posible la de menor octanaje. Revisar los consumos del vehículo periódicamente pues podemos detectar algún elemento del motor deteriorado, que esté haciendo aumentar el consumo. En trayectos muy cortos el consumo se dispara. En estos casos esrecomendable el transporte público.

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Mantenimiento regular

La presión de las ruedas por debajo de lo normal aumenta el consumo por el mayor rozamiento del vehículo con el suelo, además de desgastar más las mismas. (por cada 0,3 bares de menos presión se aumenta en un 3% el consumo) Se debe cambiar cuando corresponde el aceite, bujías y filtros pues de lo contrario se puede aumentar el consumo. Incluso al uso de un aceite incorrecto puede aumentarlo. El reglado del motor debe ser correcto (un ralentídemasiado alto provoca aumentos de consumo).

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Estilo de conducción

Este punto puede hacer que ahorremos hasta un 15% en combustible: Arrancar el motor sin acelerar y comenzar la marcha lo antes posible. Utilizar marchas largas (en gasolina el cambio de marcha se debe hacer cuando estamos entre 2.000 y 2.500 revoluciones y en diesel entre 1.500 y 2.000). Cuando estamos acelerando, se debe cambiar a la marcha más larga lo antes posible y al reducir de la manera más lenta posible (un motor en marcha corta y revolucionado consume mucho más). Debemos procurar circular a una velocidad uniforme, sin aceleraciones y deceleraciones bruscas, que nos obligan a ir en marchas más cortas o a revolucionar más el coche. Evitar velocidades elevadas. Un aumento del 20% en la velocidad produce un 44% de aumento en el consumo.

Existen cursos de conducción eficiente gratuitos (financiados por la Agencia de Gestión de la Energía de la Región de Murcia) a demanda de quien lo solicite http://www.formaster.org/conduccion-eficiente/

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El Proyecto UMU-Vehículos SosteniblesProyecto UMU-Ecomarathon

Proyecto educativo de innovación tecnológica. que abarca el diseño, construcción, ensamblaje de todos los componentes necesarios de un vehículo, realizado íntegramente por estudiantes con la tutorización de profesores de la UMU.

El objetivo es concebir, fabricar, diseñar un vehículo con el mínimo consumo posible.

La Universidad de Murcia ha participado ya dos años en la competición Shell Eco-marathon.

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Shell Eco-Marathon: competición que se celebra desde más de 25 años. Su objetivo es reunir a estudiantes de distintas universidades e institutos politécnicos de todo el mundo para competir con vehículos diseñados y fabricados por ellos mismos. Los vehículos deben recorrer cierta distancia; vence el que consume la menor cantidad de combustible. Existe una equivalencia entre los distintos tipos de combustible.

El Proyecto UMU-Vehículos SosteniblesLa competición Shell Eco-marathon

Varias categorías: PrototiposUrban conceptDistintos combustibles en cada categoría: gasolina, diesel, hidrógeno, solar, etc.

Actualmente el record de consumo lo posee el Instituto de La Joliverie (Francia), logrado en 2009 con 3771 km empleando para ello un solo litro de combustible (distancia Sevilla-Estocolmo).

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El Proyecto UMU-Vehículos SosteniblesResultados en Shell Eco-marathon 2009

La Universidad de Murcia ha participado ya dos años en la categoría Prototipos, con Motor de combustión interna propulsado con bioetanol (E100)

Clasificación general Prototipos : 80º

Registro: 257 km/L

Clasificación emisiones CO2: 72º

Registro: 7,2 g CO2/km

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El Proyecto UMU-Vehículos SosteniblesEl Proyecto UMU-Ecomarathon 2009/10

Objetivos:Competir por tercer año en la Shell Eco-marathonEurope e intentar mejorar la marca de años anteriores con el prototipo Salzillo II.Construir un nuevo vehículo propulsado por energía solar térmica.

Concepto y DiseñoFabricaciónPruebas

Participar en la Solar Race Región de Murcia en la edición de 2010 con el nuevo vehículo.

Participar en eventos de difusión y divulgación científica (Noche de los Investigadores, Semana de la Ciencia, conferencias, etc.)Realizar trabajos de I+D+i a partir de las experiencias en la realización de los vehículos (trabajos fin de carrera, comunicaciones a congresos, etc.)

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