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Tecnología Al menos durante 20 años más

Las 20 claves que alargarán la vida del motor de combustión

Comentar Publicado el miércoles 10 de enero de 2018
Las 20 claves que alargarán la vida del motor de combustión

El motor de combustión interna padece una enfermedad crónica que le está matando. Es demasiado complejo y, sobre todo, genera demasiadas emisiones. Estas son las 20 tecnologías que conseguirán alargar su existencia durante un par más de décadas.

1. Escurrir –mejor– el bulto

En los últimos años, la tribología –la ciencia que estudia el rozamiento– ha mejorado mucho, pero la fricción interna en los motores de combustión aún debe seguir reduciéndose. La mayor parte procede de la fricción entre los pistones –y sus segmentos– y la pared del cilindro, aunque los árboles de levas, las bielas y el propio cigüeñal también contribuyen. El resultado es que entre un 3% –a plena carga– y un 9% –a cargas parciales– de la energía del combustible se pierde en forma de fricción. Para reducir estas pérdidas se recurre a aceites más fluidos, tolerancias más pequeñas y recubrimientos superficiales más duros, suaves y deslizantes, denominados DLC –Diamond Like Coatings o recubrimientos como el diamante–. Se trata de recubrimientos superficiales generados mediante sopletes de plasma, que cubren el metal de una capa ultra fina –con un grosor del orden de los nanómetros– de un carburo metálico casi tan duro como el diamante, capaz de reducir la fricción hasta en un 80%.



2. Hibridación suave

Va a ser imposible reducir las emisiones de los coches sin recurrir a alguna clase de hibridación que sustituya al motor de combustión en aquellos momentos de su funcionamiento en los que su eficiencia es casi catastrófica como, por ejemplo, al iniciar la marcha o funcionando a cargas muy bajas. Y la principal candidata es la hibridación ´suave´, a 48 voltios. Una opción que proporciona alrededor de 13 CV de potencia para ´echar´ un cable decisivo en esos momentos tan delicados. Puede que los departamentos de marketing quieran aprovechar para colgarse la medalla de ´en el futuro, todos nuestros coches serán híbridos...´, pero no te engañes... no es una alternativa, sino la única solución.



3. Fuera la correa

Desde los albores del motor de combustión, la correa de órganos accesorios ha sido una rémora a la que se enganchaban todos los componentes ´periféricos´. Bombas de agua, aceite y combustible, compresores de aire acondicionado, alternadores, motores de arranque todos esos mecanismos viven ´chupando´ preciosos kW de potencia del cigüeñal e incrementando el consumo. Electrificar todos esos accesorios, y accionarlos con energía regenerada durante las frenadas, va a ser fundamental para mejorar la eficiencia. No es un proceso nuevo... elementos con un gran consumo –como la dirección asistida–, o muy variable –como la bomba de agua– ya se han electrificado.



4. Exprimir el calor

Mientras que la eficiencia de un motor actual de F1 ronda el 50%, la de un motor ´de calle´ anda por el 30%. Puede que la diferencia en coste entre uno y otro explique ese salto, pero si técnicamente es posible construir un motor de combustión que aprovecha la mitad del calor que se libera al quemar el combustible, lo que deben hacer los fabricantes es encontrar la manera de que sea económicamente viable trasplantar las tecnologías de F1 a los coches de calle... o emplear otras igual de efectivas. Por ejemplo, los sistemas MGU-H generan energía eléctrica a partir del giro de los turbocompresores. Otros sistemas experimentales, como el Turbosteamer de BMW –básicamente consiste en una central eléctrica en miniatura, accionada por el calor residual del escape–, son capaces de exprimir hasta la última gota de energía presente en el calor residual del escape.



5. Reducir el consumo de aceite

Puede parecer una cuestión anecdótica, pero existe una relación directa entre potencia específica y consumo de lubricante y eso representa un problema con una doble vertiente. La primera, es que el consumo de lubricante es malo para los sistemas de tratamiento de gases de escape. La segunda es que, a medida que los coches eléctricos comiencen a generalizarse, las exigencias de mantenimiento de los vehículos con motor térmico le van a parecer al cliente, por contraste, cada vez más abusivas e injustificadas. Lo ideal sería que un propulsor térmico pudiera funcionar sin ninguna clase de operación de mantenimiento durante 50.000 ó 100.000 km.


6. Fabricado con CO2

Durante la combustión se produce CO2. Eso es in-e-vi-ta-ble. La única alternativa para reducir la cantidad de CO2 emitido es, aparte de reducir el consumo de carburante, compensar esas emisiones interviniendo en otros puntos del ciclo de vida del combustible. Una opción excelente es fabricar combustibles empleando CO2 como materia prima. Las plantas son capaces de hacer eso... aunque lo hacen a un ritmo relativamente lento. Proyectos como Solar-Jet están tratando de utilizar luz solar, agua y CO2 para fabricar hidrógeno y monóxido de carbono, los dos componentes clave para sintetizar cualquier hidrocarburo, desde el metano y hasta el keroseno de aviación.

7. Calentarse antes y mejor

Un motor térmico funciona a unos 90 grados y, cada vez que lo pones en marcha, hay que calentar su enorme masa, y todos sus fluidos, hasta esa temperatura. Actualmente, ese proceso se realiza quemando combustible. Sin embargo, hay alternativas más eficientes. Una es emplear energía eléctrica recuperada durante las frenadas para calentar el agua y el aceite del propulsor e, indirectamente, los componentes mecánicos. La segunda consiste en ´encapsular´ el motor para evitar que se enfríe rápidamente tras apagarlo de manera que conserve algo de calor residual hasta la próxima vez que lo pongamos en marcha. Esto último puede conseguir que, tras 12 horas de reposo, la temperatura del bloque aún ronde los 40ºC, y cada grado de temperatura que se ´recorte´ durante el calentamiento del motor puede reducir el consumo en un 0,2%. 

8. Tratamiento de gases

El AdBlue es la solución ´casi perfecta´ para acabar con los óxidos de nitrógeno. Sólo tiene dos inconvenientes: el coste... y el hecho de que sólo funciona bien dentro de cierta banda de temperaturas. Por ejemplo, es necesario que los gases de escape superen los 250ºC para que la urea del AdBlue se descomponga en amoniaco y el catalizador comience a funcionar, mientras que por encima de 600ºC el sistema se desconecta para no producir amoniaco en exceso. Eso se traduce en que, durante muchos trayectos cortos, el AdBlue es simplemente inútil. Por eso, para cumplir normativas cada vez más estrictas, van a hacer falta tecnologías como los catalizadores calefactados –de nuevo, recurriendo a energía eléctrica almacenada en una batería de 48 voltios–.

9. Combustible sintético

Hay que seguir investigando en el desarrollo de alternativas a los combustibles fósiles. En la actualidad, la opción más empleada es la del biodiésel basado en aceite de palma aunque, como todos los biocombustibles, tiene un grave impacto en términos de deforestación y explotación laboral en los principales países productores. Sin embargo, existe una directiva europea que obliga a que, para 2020, el gasóleo se mezcle con un 10% de biodiésel... y eso implica que la industria está prácticamente obligada ´por ley´ a seguir investigando. Si la idea es utilizar a un ser vivo para convertir energía solar y CO2 en combustible, puede que las algas sean la respuesta: todo el organismo produce combustible, se las puede cultivar en un entorno con mucho más CO2 que la atmósfera –una instalación de cría de algas del tamaño de un par de plazas de aparcamiento puede producir tanto aceite como un campo de fútbol entero plantado con soja– y pueden alimentarse de contaminantes presentes en aguas residuales y que cuesta eliminar por otros medios. Actualmente, el litro de biocombustible de algas ronda los 10€...



10. Sobrealimentación

La eficiencia de un motor térmico es proporcional a la presión a la que se produce la combustión, y eso significa que casi cualquier sistema de sobrealimentación tiene potencial para reducir el consumo. Los actuales sistemas de turbo alimentación son cada vez más complejos una tendencia que no tiene visos de invertirse. Motores como el 1.4 Twincharger de Volkswagen –que combinaba un compresor volumétrico y un turbo– pueden considerarse como los precursores de esta tendencia. Y los nuevos propulsores de Audi y Mercedes, dotados de un compresor eléctrico y uno o varios turbocompresores en serie, pueden considerarse sus legítimos sucesores.



11. Mazda Skyactiv-X

Uno de los problemas de los motores de gasolina es que no funcionan como habría deseado Nikolaus Otto. En teoría, el pistón sube, la mezcla se comprime, salta la chispa y se produce la ´explosión´. Pero explosión es un término incorrecto. Lo que ocurre es que se origina un frente de llama que nace en la bujía y avanza por toda la cámara de combustión, hasta llegar a las paredes del cilindro. Y ese avance es relativamente lento. Tanto, que en un motor de gasolina hay que encender la mezcla bastante antes de que el pistón llegue al punto muerto superior, para que se vaya quemando. Y eso no mola del todo. La ambiciosa idea de Mazda consiste en conseguir una combustión más rápida, más parecida a una explosión utilizando varios focos simultáneos. El problema es que, eso que persigue Mazda, es un auténtico anatema: más de un siglo de experimentos con el motor de gasolina han demostrado que el momento del encendido por compresión de una mezcla de gasolina no es controlable. De hecho, ese es el maldito motivo por el que se inventó la bujía. Y aquí viene el truco de magia del Skyactiv-X...Mazda asegura que han cuadrado el círculo, construyendo un propulsor de gasolina de encendido por compresión; esto es un motor con lo mejor de la gasolina y del diésel. Por supuesto, para hacerlo funcionar han tenido que superar algunos obstáculos.

Lo que Mazda asegura que ha conseguido es la combustión explosiva de una mezcla pobre –con el doble de aire del debido; es decir, con una relación 36:1 de masa aire/combustible– justo cuando el pistón llega al punto muerto superior. Y la clave para controlar esa combustión es un pequeño chispazo de bujía, que actúa como detonador. Es decir, una especie de picado controlado: el pistón sube y la mezcla se comprime, pero es demasiado pobre como para autoencenderse por lo que necesita un detonador. Entonces, en la bujía salta una chispa que proporciona esa pizca de presión extra necesaria para que todo lo que hay en la cámara de combustión estalle como una pequeña mascletá. Y ¡pum!€ presión instantánea, en el momento adecuado, con la mitad de combustible del habitual y a baja temperatura.

Obviamente, este concepto tiene un límite claro: existen decenas de razones por las que el Skyactiv-X sólo puede funcionar en este ´ciclo´ a cargas parciales y con el motor girando a bajas revoluciones. Pero, al fin y al cabo... ¿no es en esas condiciones en las que funciona un motor de combustión durante casi el 100% de su vida?

12. Apagar cilindros

La desactivación de cilindros comenzó siendo una tecnología elitista, reservada a motores V12, pero ya se ha extendido a motores como el 1.4 ACT de Volkswagen o el tricilíndrico 1.0 EcoBoost de Ford. La idea, como muchas de las tecnologías de este reportaje, consiste en hacer un truco de magia para incrementar la compresión del motor de gasolina cuando funciona a cargas parciales: reducir la cilindrada a la mitad dejando hasta a la mitad de cilindros funcionando en vacío.

13. El motor de plástico

Cada vez se emplea más plástico en los coches, pero el motor de combustión sigue siendo una relativa excepción. Sin embargo, la idea de construir un motor súper ligero, con la mayor cantidad posible de elementos de plástico, lleva rondando la cabeza de los ingenieros desde que, allá por los años 80, Ford hiciera el primer experimento, que dio como resultado el Polimotor, un propulsor de 2.3 litros de cilindrada y 35 kilos de peso. Desde hace un par de años, la química Solvay ha retomado el empeño de tratar de hacer un motor de plástico –en este caso, reforzado con fibra de carbono– para emplearlo en competición. El Polimotor 2 de Solvay es un cuatro cilindros sobrealimentado que pesará 65 kilos –alrededor de la mitad que un a mecánica convencional–, desarrollará de 450 CV de potencia y se montará por primera vez en una barqueta Norma M-20.

14. Fijar algún rumbo

Los continuos cambios en la política medioambiental conducen a un inmenso despilfarro de dinero. La eterna inseguridad sobre qué exigirán las futuras normativas impide planificar las inversiones. Para que el motor de combustión tenga un futuro, es imprescindible que los políticos elaboren una hoja de ruta con objetivos, que podrán ser muy ambiciosos pero, sobre todo, deben ser estables. Los fabricantes –y su picaresca– tiene mucha responsabilidad en los últimos cambios repentinos de normativa, pero la introducción acelerada de nuevos ciclos de ensayo, la incógnita sobre cuáles serán los próximos niveles máximos de CO2 que exigirán las autoridades europeas en 2020 –un debate que actualmente sigue abierto–, o el mero hecho de que ni siquiera se sepa si la próxima normativa europea de emisiones se va a llamar Euro 7 dan una idea de la incertidumbre con la que tienen que lidiar los fabricantes.



15. Rightsizing

La filosofía del downsizing –reducir la cilindrada, pero manteniendo la potencia, para bajar el consumo– ha sido el resultado directo de la actual normativa anticontaminación€ y se trata de una idea que ya ha sido descartada por muchos fabricantes, aunque aún pueden encontrarse muchas ´parejas extrañas´ en el mercado. Se trata de esas grandes berlinas propulsadas por motores diminutos que, en el mundo real y cargadas hasta los topes, consumen y emiten mucho más de lo que sugieren las bucólicas cifras oficiales declaradas por sus fabricantes.



16. El quore sportivo

Cuando se inventó el automóvil, el automovilismo deportivo rápidamente se convirtió en una herramienta para mejorar los coches de calle. Sin embargo, actualmente, eso ya no es así. Las normativas de las distintas categorías son tan rígidas que la innovación apenas tiene cabida. Tal y como hemos mencionado antes, los actuales motores de Fórmula 1 ofrecen una eficiencia energética asombrosa... Y si los reglamentos de las demás categorías se relajaran hasta volver a convertir a los coches en auténticos prototipos rodantes en lugar de máquinas construidas siguiendo atentamente la normativa correspondiente de la FIA, podrían surgir muchas innovaciones de las que el motor de combustión podría aprovecharse.

17. Compresión variable

Una de las asignaturas pendientes del motor térmico de gasolina es la de flexibilizar el proceso de combustión. Todo gira alrededor del nivel de compresión de la mezcla. Muchos fabricantes, desde Audi y hasta Toyota, juegan en sus motores a ´trucar´ el proceso de admisión para matizar el ciclo, y hablan de motores Atkinson. El sistema de compresión variable de Infiniti va a la raíz del problema. ¿Necesitamos más compresión en cargas parciales? Pues hacemos que, cuando se pisa poco el acelerador, el pistón suba hasta más arriba. No obstante, conseguir hacer esa adaptación mecánica sin que el incremento en fricción, complejidad y peso no desbanque las ventajas potenciales es extremadamente complicado. El motor VC-Turbo de Infiniti incorpora una articulación en el cigüeñal que permite modificar la carrera del pistón en 6 milímetros, ajustando el rango de compresión entre un 8:1 y un 14:1. Esos 6 milímetros extra que sube el pistón se traducen en más calorcito en cargas parciales... y en 6 mm de pedalada ´extra´ que pegan los gases de combustión en cada embolada, mejorando la eficiencia por partida doble. El motor VC-T de Infiniti ya está preparado para salir al mercado a principios de 2018, montado en el todo camino QX50.

18. Mejor 'empaquetado'

Una de las principales ventajas que ofrece un vehículo eléctrico es que sus componentes se pueden disponer de una forma extremadamente eficiente desde el punto de vista del aprovechamiento del espacio. Si el motor térmico no quiere perder terreno, va a tener que mejorar su packaging para conseguir ocupar menos espacio.



19. Fuera la distribución

Muchos fabricantes han acariciado el sueño de un sistema de distribución sin árboles de levas accionando las válvulas pero, hasta ahora, nadie lo ha conseguido. Suprimir la distribución no sólo reduciría las pérdidas mecánicas derivadas de accionarla, sino que si pudiéramos abrir y cerrar las válvulas a placer, podríamos mejorar sensiblemente el proceso de combustión. Por ejemplo, en 2016, Quoros presentó un motor 1.6 turbo sin distribución mecánica, basado en el sistema Freevalve Qamfree –desarrollado por Koenigsegg–... y aseguraban que podían reducir las emisiones contaminantes en torno a un 50%.

20. Capitalizar el sonido

Un motor de combustión emite sonido. Eso es evidente, y una diferencia radical respecto de un motor eléctrico. Se trata de una característica que el motor de combustión no debería tratar de ocultar –va a resultar difícil que un diésel o un gasolina sean más silencioso que un eléctrico...– sino de ´capitalizar´ el sonido a su favor.

 
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