Cambio de siglo en motores propulsores: el equilibrio movilidad-medio ambiente

En los inicios de la automoción, después de los carros tirados por caballos y la primera evolución hacia carros de vapor, el primer elemento a ser reemplazado es la caldera, que ocupa un volumen excesivo y se sustituye por un bloque de baterías eléctricas con un motor eléctrico. Con baterías de plomo y ácido, la autonomía es baja y rápidamente aparecen los motores de combustión que, a pesar de ser mucho más ruidosos e incómodos (se suelen producir amputaciones y accidentes durante la maniobra de arranque con la palanca extraíble del cigüeñal), gozan de más autonomía y la libertad de poder llenar en cualquier lugar.

El motor eléctrico de arranque tarda 30 años desde su primera implantación hasta su instalación en automóviles de gran tirada. Este hito representa el abandono del vehículo eléctrico por el motor de combustión, que ya no supone ningún riesgo durante el arranque.

Dos guerras después, con la gran crisis pasa más de un periodo de recuperación de la industria y economía, se presenta otro período de crecimiento y que lleva la tecnología militar en la tierra. Los turbos salen los aviones. La popularización del vehículo con el boom europeo de los 60 y la autarquía del 600 en el Estado, además del esplendor de los grandes automóviles americanos ayudaron a consolidar la industria. Fue la época de los vehículos de 20 CV y 600 kg en España y de los motores 6.5LV8 y 2500kg en USA.

La crisis del petróleo de los 70 y las restricciones a la gasolina con plomo dio alas a alternativas eléctricas y redujeron el rendimiento de los motores Otto al bajar drásticamente las relaciones de compresión. En España fueron representativos al segmento C vehículos de 900kg y 50CV, con cilindradas de 1.3L y configuraciones de 4 cilindros y 8 válvulas.

A mediados de los 80, el tamaño de los vehículos se contuvo en USA manteniendo su masa y Europa enfatizó una contención de los tamaños. El segmento C rondaba los 900 kg con unos 80CV y desplazamientos de 1400cc. En este punto comienzan a emerger algunos motores diesel que presentan consumos volumétricos inferiores, especialmente para la consolidación de la inyección electrónica.

Hay que remarcar que el consumo volumétrico de carburante (L / 100km) es una magnitud imprecisa y que sólo se ha utilizado de cara a la comercialización ya que implica una magnitud variante como es la densidad del carburante. Técnicamente se ha empleado el consumo específico de carburante por unidad de potencia (Kg / s para CV, o actualmente y más extendido el g / kWh) para evaluar rendimientos. También resulta interesante que las particularidades del ciclo termodinámico Otto les da ciertas ventajas de potencia específica con relaciones de compresión elevadas (mientras la mezcla no detone espontáneamente al cilindro, el conocido "picado"). Por el contrario, los motores atmosféricos Diesel presentaban los 80 ratios de compresión que doblaban los Otto y, por tanto requerían de bloques motor más macizos que pesaban más, daban menor potencia y un par superior.

En el mundo de la competición aparecen los primeros turbos y controles de válvulas ajustables. Además, algunos carburadores se ven sustituidos por inyectores y el encendido empieza a ser electrónico. Estos avances pronto se filtran y llega al mercado la primera época del turbo, sobre todo aplicado en motores Otto de altas prestaciones. Al final de la década, y derivado de los abusos por sobrepresión y de los problemas de control del turbo, este elemento desaparece durante 10 años.

Entrados los años 90 los motores se convierten en referentes para su consumo volumétrico o sus prestaciones crecientes. El segmento C sobrepasa la tonelada (1100kg) y pide motores más potentes (1.6L, 16v, 125CV). Hacia el final de la década, los motores Diesel incorporan turbo, intercooler y una potencia aproximadamente la mitad de sus rivales de gasolina. En este punto aparecen dos macrotendencias: la primera "los Diesel gastan menos" y la segunda "hay que tener tantos Diesel como Otto". Ciertamente, las ventajas de los diesel en consumos relativos se dan por su potencia más reducida, la facilidad de conducción de un motor con par superior y el advenimiento de las bombas de alta presión y posteriormente el "common rail". Los primeros bloques motor de aluminio llegan al mercado y, a pesar de que el motor se aligera, el conjunto de vehículo sigue su espiral de aumento de masa.

Discretamente, a mediados de la década, Toyota lanza al mercado el primer motor de ciclo Atkinson (un ciclo termodinámico de menor potencia que Otto y superior rendimiento) en el primer vehículo híbrido de larga tirada y General Motors lidera una experiencia con el legendario EV1, inaugurando también el primer experimento masivo con vehículos de Leasing. El primer modelo tumba la década con varias generaciones y el segundo pasa a la posteridad por la repercusión mediática y el encanto de una batería de NiMH con un amplificador trifásico de 100kW acoplados a un motor de inducción.

El motor Atkinson dispone de los mismos elementos alternativos que un Otto y reduce los efectos del knock (picado) al tener menor carga activa en el interior del cilindro. Aparecen los primeros imanes de alta energía y se pueden implementar por primera vez los algoritmos de control de Clark y Park los reguladores electrónicos de los motores eléctricos. La electrónica entra en el vehículo.

A principios del 2000 se empiezan a trasponer las directivas pactadas en Kioto en 1990 y se despliegan sistemas como el EGR, diseñado hacía más de tres décadas. Los objetivos eran fundamentalmente reducir los NOx y masa emitida de partículas por Km recorrido en un ciclo tipo.

Durante la combustión, las diversas especies químicas presentes en la cámara y la temperatura máxima de combustión (en la atmósfera hay un 80% de N2) reaccionan entre ellas dando lugar a óxidos de nitrógeno, hidrocarburos no quemados y gránulos de carbón, entre otros. Los alvéolos pulmonares tienen unos 200mm de diámetro, y pueden filtrar con las mucosas las partículas grandes de carbón antes de llegar al flujo sanguíneo, pero resulta inconveniente a la vista el hecho de poder percibir un humo negro saliendo del escape. Para hacer frente a estas formaciones se sensoriza el vehículo con sondas lambda, de temperatura y presión, trampas de hollín y la electrónica toma ya el protagonismo del encendido y los sistemas de asistencia activa del motor.

El incremento de seguridad de los vehículos, el símbolo hedonista del coche particular y el boom económico a principios de siglo provoca una eclosión del mercado de vehículos 4x4 de gran cilindrada y se disparan las ventas al segmento C de tipo SUV (coches con una altura de el habitáculo superior a la anterior generación). Este incremento de volumen conlleva un incremento de masa (> 1600kg) y para mantener prestaciones los motores incrementan el desplazamiento y la potencia (150CV). La complejidad del motor diesel y gasolina comienzan a ser iguales y las prestaciones entre uno y otro se acercan al igual que sus consumos específicos.

Los motores de ciclo Diesel incorporan ya todos turbo, inyección de muy alta presión (> 1500bar) y sistemas con urea y post tratamientos para reducir las emisiones.

Los motores de ciclo Otto mantienen el catalizador y la EGR, además de incorporar EGR refrigeradas y multietapa a diferentes presiones para poder rebajar la temperatura de la cámara de combustión.

El vehículo eléctrico no se plantea como alternativa viable, y algunos emprendedores arrancan negocios como ACpropulsion que resulta la semilla del fabricante Tesla. En 2004, se abren las regulaciones técnicas de Le Mans vehículos híbridos. En 2009 la IoMTT organiza la primera categoría de motos eléctricas al trazado centenario: la TTXGP (actualmente SES TTzero), poniendo de manifiesto que las prestaciones han mejorado sustancialmente gracias a las baterías de Litio, un metal mucho más ligero que el plomo.

Pasada la primera década y la primera gran crisis del siglo, el mercado del vehículo se estanca y los motores comienzan una espiral de "downsizing" fuera de los USA. Los motores reducen cilindrada y aumentan las prestaciones específicas. La demanda de SUV mantiene la masa en 1600kg y las potencias rondan los 200cv con desplazamientos medios de 2.0L con tendencia a incrementar la masa y reducir la cilindrada.

Con unas prestaciones específicas y unas solicitaciones mecánicas elevadas, el nuevo frente es a los recubrimientos superficiales, la reducción de fricciones internas, las reducciones de pérdidas por bombeo y la reducción de masa del conjunto propulsor y de tratamientos en el escape.

Los mejores motores de coche presentan rendimientos térmicos netos superiores al 38% y las motos rondan el 26%. En camiones y náutica, los rendimientos térmicos superan el 40% con creces.

La fuerte presión para disponer de elevadas prestaciones a la vez que superar los ensayos de emisiones hace que la diferencia entre los consumos y emisiones reales y las declaradas en homologación discrepen entre un 40% y un 4.000% según publican revistas y estudios a partir de 2014. El escándalo DieselGate se publica más tarde a raíz de una tesis doctoral en USA utilizando un nuevo sistema que permite medir las emisiones reales en la calle y que corrobora las tesis de los expertos. Los mejores motores de coche presentan rendimientos térmicos netos superiores al 38% y las motos rondan el 26%. En camiones y náutica, los rendimientos térmicos superan el 40% con creces.

Paralelamente, la irrupción de nuevas empresas en el sector del vehículo eléctrico rompe la hegemonía de los principales fabricantes. La FIA y la FIM arrancan autónomamente categorías eléctricas, después de mantener la llama durante casi tres décadas en categorías inferiores. En 2010 aparecen el campeonato internacional e-Power (actual moto-e) y en 2014 el campeonato Formula-e. Los nombres de los fabricantes suenan poco en las orejas de los expertos: Lightning, Zero, Münch, Crystalyte, CRP, NIO, Mahindra, Venturi, etc.

Técnicamente los motores siguen aumentando la complejidad y la electrónica mejora las capacidades de procesamiento de forma exponencial, especialmente para la transferencia de tecnología del mercado móvil y de electrónica de consumo. Sin embargo, el MP3 tarda 3 décadas en entrar de serie en el coche y el GPS todavía no se encuentra en todos los vehículos hasta que no se transponen las directivas europeas en 2018. El Bluetooth, wifi, 3G, 4G y 5G todavía cuestan de entrar en el vehículo.

Con respecto al vehículo eléctrico e híbrido, la electrónica de potencia evoluciona a paso de gigante. Los componentes se miniaturizan y se integran cada vez más con los circuitos, eliminando cables innecesarios, reduciendo drásticamente la masa y permitiendo una mejor evacuación del calor generado. Además, las herramientas de simulación numérica permiten optimizar los rendimientos hasta niveles cercanos al 90% en la cadena inversor + motor en puntos concretos de trabajo.

En el momento en que se publica el “Monográfic de la Mobilitat Eléctrica” en el COEIC los mejores expertos como el autor de este artículo forman un grupo muy potente que va tomando el pulso al proceso de electrificación del tráfico de vehículos por las vías públicas…. Y las Administraciones oyen pero no tienen capacidad de marcar el ritmo del cambio…