Ya no hay vuelta de hoja, es imprescindible que el automóvil reduzca y elimine cuanto antes la contaminación que genera, en su fabricación, durante la circulación y hasta el fin de su vida útil con un eficiente reciclaje y eliminación de residuos.
Es en las ciudades donde más afecta su contaminación por la masificación de personas y coches.
Si se logra que el automóvil no contamine al circular queda otro aspecto importante, sigue ocupando espacio lo que supone congestionar las ciudades si pueden circular muchos coches al no emitir contaminación.
Las soluciones están en manos de quienes tienen el control, nosotros somos técnicos, por lo que en este artículo vamos a comparar las energías que hay en la actualidad para que el automóvil se pueda desplazar, valorando que no contamine y sea utilizable para todo, incluidos viajes largos tomando como referencia el coche utilizado hasta ahora con motor térmico, que se va a extinguir progresivamente por su contaminación.
Vamos a comparar el motor térmico (gasolina, diésel, gas o biocombustibles), sistema híbrido paralelo o serie (térmico + eléctrico), eléctrico y pila de combustible de hidrógeno.
Automóvil con motor térmico Mt (gasolina, diésel, gas o biocombustible)
Producción de energía
- El motor térmico se alimenta de aire Ae y combustible Ac; dentro del motor las reacciones químicas entre el combustible y el oxígeno del aire generan la fuerza que aporta el trabajo para el desplazamiento del automóvil, par motor
- La aportación de combustible se hace actualmente mediante inyección e incorpora sistema de encendido con bujías para provocar chispas según el motor. El control de la inyección y del encendido es electrónico Ce
Control de la contaminación
- Las reacciones químicas en el motor producen gases nocivos que requieren sistemas anticontaminación Sac antes de la salida de los gases de escape al exterior Ge
Almacén y abastecimiento del producto generador de la energía
- Depósito de combustible Dc, que se reposta por un conducto Rc desde el surtidor Sc en unos minutos
- La autonomía hasta el siguiente repostaje está en unos 500 km
Transformación, adaptación y control del par motor
- Para iniciar la marcha, subir cuestas o llevar peso es necesario multiplicar el par que produce el motor térmico Mt hasta que alcanza medias RPM, es la función de la caja de cambios Cc accionada por su palanca Pc. Se ve en la imagen la curva de par motor que va aumentando con las RPM hasta medio régimen
- Con el pedal del acelerador Pa se va aportando más aire Ae y combustible Ac al motor controlado por el calculador Ce, y cambiando de relaciones de caja de cambios Cc con la Pc para adaptar el par a las condiciones de circulación
- Con caja de cambios Cc manual es necesario el embrague Eb para conectar o desconectar el motor térmico Mt de la caja de cambios Cc, mediante el pedal de embrague Peb, durante el cambio de relaciones y al iniciar la marcha
- Con caja automática o pilotada robotizada no es necesario el pedal de embrague Peb, pues o no hay embrague Eb o se incluye su accionamiento en el control electrónico, en ambos casos no hay pedal de embrague Peb
Reparto de velocidad en las ruedas motrices en curvas
- Al tomar curvas la rueda exterior ha de girar más rápido que la interior en el mismo tiempo, es la función del diferencial Df que recibe el par motor desde la caja de cambios
Parada del automóvil
- Para poder detener el automóvil rápidamente está el sistema de frenos accionado mediante su pedal Pf
Automóvil con motor térmico Mt y eléctrico MGe; híbrido paralelo
Producción de la energía
- Motor térmico Mt; como lo explicado anteriormente
- Motor (generador) eléctrico MGe; recibe la electricidad acumulada en las baterías de propulsión complementaria Bpc. Además de motor eléctrico hace las funciones de generador de electricidad al decelerar y frenar, por eso la G
- Control electrónico Ce; coordina las aportaciones de energía, par, de los motores térmico Mt y eléctrico MGe
Control de la contaminación
- Motor térmico; como lo ya explicado, Sac y Ge
- Motor eléctrico MGe; no emite contaminación al exterior al funcionar el automóvil
Almacén y abastecimiento de los productos generadores de la energía
- Para el motor térmico Mt; como lo explicado, depósito de combustible Dc, que se reposta por un conducto Rc desde el surtidor Sc
- El motor eléctrico MGe; se alimenta de la electricidad de las baterías de propulsión complementaria Bpc
- Al decelerar y frenar el MGe produce electricidad cargando las baterías Bpc
- Se puede disponer de conexión Ccb para cargar de baterías Bpc en la red eléctrica Cbr (“plug in”), así se dispone de cierta autonomía exclusivamente eléctrica
Transformación, adaptación y control del par motor
- Motor térmico Mt como se ha explicado al aumentar el par hasta medias RPM; Cc, Pc, Pa y si la caja de cambios es manual Eb y Peb
- Motor eléctrico MGe:
- Dispone de todo el par de la carga de las baterías de propulsión complementaria Bpc al acelerar Pa
- No necesita Cc, Eb y Peb, que se mantiene por el motor térmico Mt
- La Cc puede ser específica para la tecnología híbrida
- La coordinación más habitual de esta tecnología controlada por el Ce es esta; se inicia la marcha en eléctrico con el MGe, al alcanzar determinada velocidad, o si se acelera más, se pone en marcha el motor térmico Mt sustituyendo al eléctrico
- En fase térmica al acelerar a fondo apoya el motor eléctrico MGe
- Por eso se han identificado las baterías como propulsión complementaria Bpc
- Se aprecia la curva de par del motor térmico Mt (rojo) y la aportación de par del eléctrico MGe (verde)
Reparto de velocidad en las ruedas motrices en curvas
- El diferencial Df hace la función de aportar diferente velocidad a las ruedas motrices en curvas, recibe el par motor desde la caja de cambios Cc y/o motor eléctrico MGe
Parada del automóvil
- Para poder detener el automóvil rápidamente está el sistema de frenos accionado mediante su pedal Pf
Al decelerar o frenar, el motor eléctrico MGe actúa como generador de electricidad con efecto freno más o menos intenso, así se recargan las baterías de propulsión complementaria Bpc.
Automóvil con motor térmico Mt y eléctrico MGe; híbrido serie
Producción de la energía
- Motor térmico Mt; cuando está en marcha funciona como se ha explicado, Ae, Ac controlado por el Ce. No mueve las ruedas motrices, acciona un generador de electricidad motriz Gem
- Motor (generador) eléctrico MGe; mueve las ruedas motrices con la electricidad acumulada en las baterías de propulsión Bp, o la producida por el generador de electricidad motriz Gem con el motor térmico Mt en marcha
- Control electrónico Ce; coordina las aportaciones de energía y la puesta en marcha y parada del motor térmico Mt
Control de la contaminación
- Motor térmico; como lo ya explicado, Sac y Ge
- Motor eléctrico MGe; al funcionar el automóvil no emite contaminación al exterior
Almacén y abastecimiento de los productos generadores de la energía
- Para el motor térmico Mt; como lo explicado, depósito de combustible Dc, que se reposta por un conducto Rc desde el surtidor Sc
- El motor eléctrico MGe; se alimenta de la electricidad de las baterías de propulsión Bp o la producida por el generador de electricidad motriz Gem con el motor térmico funcionando Mt
- Las baterías de propulsión Bp se conectan Ccb a la red eléctrica Cbr para su recarga; unas 5 horas o 30 minutos al 80% en un cargador rápido
- Al decelerar y frenar, el MGe produce electricidad cargando las baterías Bp
- Se dispone de autonomía eléctrica de unos 50 km y con el motor térmico en marcha unos 400 a 500 más. En algunos casos el automóvil eléctrico, se explica a continuación, se denomina “de autonomía extendida” al contar, además de Bp de mayor capacidad, con un pequeño motor térmico Mt que mueve un generador eléctrico, entonces la autonomía eléctrica es de unos 300 km y con el Mt en marcha unos 120 más
Transformación, adaptación y control del par motor
- Motor térmico Mt; cuando está en marcha hace girar al generador que produce la electricidad motriz Gem
- Motor eléctrico MGe; dispone de todo el par que aporta la carga de las baterías de propulsión Bp al acelerar, se representa en la curva de par
- Se sustituye el embrague y caja de cambios por una reducción de transmisión Rt antes del diferencial Df
- Cuando la carga en las baterías de propulsión Bp disminuye, el Ce pone en marcha el motor térmico Mt haciendo que el generador de electricidad motriz Gem aporte energía eléctrica para mover el MGe y recargar las baterías de propulsión BP si es posible
- El pedal del acelerador Pa informa al control electrónico Ce que gestiona la transición de la energía según la demanda
- Con la palanca de selección de movimiento Pm se determina ir hacia adelante o atrás
Reparto de velocidad en las ruedas motrices en curvas
- Como ya se ha explicado es función del diferencial Df que recibe el par del motor (generador) eléctrico MGe a través de la reducción de transmisión Rt
Parada del automóvil
- Se detiene el automóvil accionado el pedal de freno Pf
- Al decelerar o frenar, el motor generador eléctrico MGe produce electricidad, que recarga las baterías de propulsión Bp con efecto freno más o menos intenso, que puede ser regulable
Automóvil con motor eléctrico MGe
Producción de la energía
- Motor (generador) eléctrico MGe; mueve las ruedas motrices con la electricidad acumulada en las baterías de propulsión Bp
- Control electrónico Ce; coordina las aportaciones de energía
Control de la contaminación
- El motor eléctrico MGe no emite contaminación al exterior al funcionar el automóvil
Almacén y abastecimiento del producto generador de la energía
- Conexión Ccb al cargador de la red eléctrica Cbr para recargar la baterías de propulsión Bp
- La carga estándar lleva de 8 a 12 horas, con cargador rápido unos 30 minutos al 80%. Si se utiliza con frecuencia la carga rápida puede afectar a la duración de las baterías de propulsión Bp
- Al decelerar y frenar el MGe produce electricidad cargando las baterías Bp
Transformación, adaptación y control del par motor
- Motor eléctrico MGe; dispone de todo el par que aporta la carga de las baterías de propulsión Bp al acelerar, como se ve en la curva de par
- Desde el motor (generador) de electricidad MGe se pasa el par por una reducción de transmisión Rt al diferencial Df
- El pedal del acelerador Pa informa al control electrónico Ce que gestiona la transición de la energía según la demanda
- Palanca de selección de movimiento Pm para ir hacia adelante o hacia atrás
Reparto de velocidad en las ruedas motrices en curvas
- Lo hace el diferencial Df que recibe el par desde el reductor de transmisión Rt
- Puede haber en cada rueda motriz un motor generador de electricidad MGe con su reducción de transmisión Rt, entonces no hace falta el diferencial Df, pues cada motor eléctrico giraría a la velocidad correspondiente a la curva
Parada del automóvil
- Se detiene el automóvil accionado el pedal de freno Pf
- Al decelerar o frenar, el motor generador eléctrico MGe actúa como productor de electricidad recargando las baterías de propulsión Bp, con efecto freno más o menos intenso, que es ajustable
Automóvil con pila de combustible de hidrógeno Pch
Producción de la energía
- La pila de combustible de hidrógeno se alimenta de aire Ae e hidrógeno Ah
- Con el oxígeno del aire y el hidrógeno la Pch produce electricidad
- Con esta electricidad se alimenta el motor (generador) eléctrico MGe que desplaza el automóvil
- El control electrónico Ce gestiona el funcionamiento según se acelere
Control de la contaminación
- La Pch produce como gases de escape vapor de agua Ge H2O
Almacén y abastecimiento del producto generador de la energía
- Depósito de hidrógeno Dh con conducto de repostaje Rh y surtidor de hidrógeno Sh
- Dispone de un pequeño conjunto de baterías (de propulsión) complementarias Bc para algunos instantes en que su aportación es una ayuda; inicio de la marcha a muy baja temperatura, aceleraciones fuertes, …
Transformación, adaptación y control del par motor
- El par motor está disponible según se actúe sobre el pedal del acelerador Pa, como se ve en la curva de par
- Reducción de transmisión Rt antes del diferencial Df
- Palanca de sentido de movimiento, hacia adelante o atrás Pm
Reparto de velocidad en las ruedas motrices en curvas
- Lo hace el diferencial Df que recibe el par del motor (generador) eléctrico MGe a través de la reducción de transmisión Rt
- Puede haber un conjunto motor generador eléctrico y reductor de transmisión MGe + Rt en cada rueda motriz, prescindiendo del diferencial
Parada del automóvil
- Se detiene la automóvil accionado el pedal de freno Pf
- Al decelerar o frenar, el motor generador eléctrico MGe actúa como productor de electricidad con efecto freno más o menos intenso, que puede ser regulable
Se han realizado ensayos de aplicación del hidrógeno como combustible de motores térmicos sustituyendo a la gasolina.
Se emite vapor de agua por el escape, como la pila de combustible, pero necesita los elementos de transmisión para adaptar el par motor que reciben las ruedas; embrague o convertidor de par, caja de cambios y diferencial con sus respectivos mandos de accionamiento.
Además, el motor térmico con todos sus componentes es más complejo y tiene más desgastes que la Pch, por lo que estas investigaciones no tienen continuación.
Comparación de las energías de movimiento del automóvil
En la imagen se ve un resumen comparativo de las energías posibles que incluye este artículo; motor térmico (gasolina, diésel, gas o biocombustibles), sistema híbrido paralelo o serie (térmico + eléctrico), eléctrico y pila de combustible de hidrógeno.
Los comentarios que siguen son un resumen para situar lo mejor posible lo que sucede sobre este tema en el momento actual:
- El motor térmico está en fase de extinción, los costes para reducir su contaminación van subiendo según las directivas son más severas, y esto afecta al precio del automóvil y su mantenimiento, no siendo totalmente limpio
- Además, al disponer habitualmente de un mando para seleccionar la respuesta al acelerador, el conductor puede hacer funcionar legalmente su automóvil emitiendo bastante más dióxido de carbono CO2 del homologado, que no es un contaminante directo pero afecta mucho al calentamiento global
- Las tecnologías híbridas son soluciones de compromiso para ir saliendo del paso según las directivas se endurecen, se consideran de transición
- El automóvil eléctrico utiliza baterías con componentes caros, relativamente escasos, muy localizados y las baterías tiene un proceso de reciclaje complejo, caro y parece ser poco eficiente
- Esto se agrava si hay un gran número de ellas
- La autonomía es reducida, se está aumentando pero es muy, muy sensible a la velocidad lo que compromete viajes en carretera
- El tiempo de recarga es demasiado largo, se acorta sensiblemente con cargadores rápidos, pero si se abusa las baterías se deterioran, por lo que se ha de valorar si es de interés tener una red de estos cargadores en las autopistas
- Una opción podría ser la posibilidad de recargar las baterías circulando
- Para que todo esto sea realmente viable es necesario que la electricidad generada en la red sea renovable y totalmente limpia
- La pila de combustible de hidrógeno solamente requiere disponer de puntos de suministro, lo que es relativamente fácil, se puede obtener desde el agua incluso en garajes
- Además si está el coche lleno de hidrógeno se puede utilizar la electricidad que produce para una casa u otra función que requiera esta energía
- La utilización del automóvil no difiere de la del automóvil térmico tradicional, autonomía adecuada para viajes y reducido tiempo de recarga de hidrógeno
Un punto de vista objetivo parece indicar que la opción de pila de combustible es la más idónea, técnicamente no hay problemas, tampoco la producción y distribución de hidrógeno, que ha de hacerse con energías renovables, por lo tanto son otros factores los que determinaran la evolución de esta energía de propulsión.
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