Tecnologías para reducir el consumo de combustible

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El consumo de combustible del automóvil con motor térmico se reparte entre varios factores responsables.

Una estimación realizada a 90 km/h es la que nos va a servir de base en este artículo, y también en otros, para deducir como se puede reducir el consumo en cada uno de los factores, que será más influyente según su % de implicación en el consumo del automóvil.

Hemos hecho este artículo para que se pueda ir siguiendo con las diapositivas, con imágenes y texto, a lo que se añade más texto complementario y con enlaces a otros artículos para quienes quieran más información.

Causas del consumo de combustible del automóvil con motor térmico a 90 km/h

Estos datos aportan información sobre la influencia de cada uno de los factores analizados, y donde se pueden lograr más ventajas.

Como complemento a la diapositiva, este es el resumen de reparto de consumo entre los siete factores analizados:

  • 29,8% por la eficacia aerodinámica, aumenta exponencialmente con la velocidad
  • 18,8% es por los rozamientos de rodadura, relacionados con los neumáticos, por su exterior e interior
  • 14,3% rozamientos del motor, tanto internos por la generación del par motor, que son los que se van a analizar, como otros que se pueden ver en un enlace
  • 12,6% por pérdidas de calor; ya que el calor es energía y se han de proteger los materiales de los elementos más expuestos al calor
  • 10,8% es a causa de pérdidas de llenado de los cilindros, debido a diferentes causas y variable según las RPM del motor
  • 10,5% es por alimentación y encendido (en el motor de gasolina), como se producen las explosiones y combustiones es determinante para sacar el mejor rendimiento del combustible quemado
  • 3,2% es debido a pérdidas por rozamiento de elementos de transmisión, caja de cambios y diferencial son los más implicados, por lo que con 4×4 habrá más rozamientos

En este enlace puedes ver la historia de los dos factores más influyentes, aerodinámica y peso.

Causas del consumo de combustible del automóvil con motor térmico a 90 km/h

29,8 % de consumo de combustible del automóvil por su aerodinámica con motor térmico a 90 km/h

  • La calidad de forma aerodinámica CX y el tamaño del automóvil visto de frente S son determinantes para la resistencia que se ha de vencer para avanzar FX, pues este factor depende de los dos anteriores y de la velocidad
  • Las líneas además de más fluidas han de ser continuas sin alteraciones o con las mínimas posibles

Se pueden añadir sistemas de aerodinámica activa que permiten adaptar la resistencia al avance a las condiciones de circulación.

29,8 % de consumo de combustible del automóvil por su aerodinámica con motor térmico a 90 km/h

18,8 % de consumo de combustible del automóvil por rozamientos de rodadura con motor térmico a 90 km/h

  • Estos rozamientos se producen en el neumático, por el exterior de la banda de rodamiento al girar la rueda para avanzar, y por las fricciones internas de los componentes del los neumáticos al deformarse al girar
  • Para reducir el rozamiento exterior e interior se ha de tener en cuenta que no debe disminuir la adherencia de la banda de rodamiento con el suelo
  • Los rozamientos internos se reducen con interacción de complementos que actúan como si fuesen lubricantes, permiten los desplazamientos entre los componentes internos al deformarse los neumáticos con menores fricciones y calor
  • Una ficha en los neumáticos nuevos incluye información sobre diversos aspectos, entre estos su eficiencia en el consumo de combustible
  • En estos rozamientos de los neumáticos influye el peso que soportan, por lo que aligerar en lo posible el peso del automóvil es un camino a seguir

18,8 % de consumo de combustible del automóvil por rozamientos de rodadura con motor térmico a 90 km/h

14,3 % de consumo de combustible del automóvil por rozamientos del motor térmico a 90 km/h

  • En el interior del motor se mueven diferentes elementos para transformar la energía de las explosiones o combustiones en energía para hacer girar el cigüeñal y desde este por la transmisión a las ruedas motrices
  • Estos elementos móviles friccionan entre si y han de estar lubricados para reducir desgastes y rozamientos
  • Las principales fricciones se producen entre los pistones – segmentos y los cilindros, su desgaste es el envejecimiento natural del motor, además en los cojinetes del cigüeñal en el bloque y bielas, sistema de distribución y otros
  • En este enlace, Motor de bajo rozamiento”, hay información sobre el contenido de la diapositiva y algo más, relacionado con los otros elementos que ha mover el motor y como se puede reducir la energía necesaria
  • Si se reduce el tamaño del motor hay menos rozamientos, pero se ha de complementar con alguna tecnología que compense la merma de par y potencia, es el motor down size

14,3 % de consumo de combustible del automóvil por rozamientos del motor térmico a 90 km/h

12,6 % de consumo de combustible del automóvil con motor térmico por pérdida de calor a 90 km/h

  • El calor es energía y se puede pasar de uno a otro factor
  • En el motor del automóvil el calor de las explosiones o combustiones de transforma en energía que empuja a los pistones para lograr el movimiento circular que se pasa por la transmisión a las ruedas motrices
  • Los elementos más próximos al calor, explosiones o combustiones, se han de proteger para evitar su destrucción por exceso de calor, es la función del sistema de refrigeración, por líquido actualmente en prácticamente todos los motores de automóviles, también colabora algo el sistema de lubricación
  • Los gases quemados se evacuan al exterior por el sistema de escape, que está muy caliente, más cuanto más cerca del motor.
  • Si fuese posible aprovechar este calor se podría transformar en energía para mover el automóvil, es la cogeneración térmica, pero es caro y parece que poco rentable por, entre otras cosas, la prevista desaparición del motor térmico que emite CO2

12,6 % de consumo de combustible del automóvil con motor térmico por pérdida de calor a 90 km/h

10,8 % de consumo de combustible del automóvil con motor térmico por pérdidas de llenado a 90 km/h

  • Para que las explosiones o combustiones sean eficientes es necesario que el llenado de los cilindros en admisión sea completo, o al menos lo más posible, y que una vez que se han quemado los gases su salida por el escape al exterior sea muy rápida y así favorecer el siguiente llenado en admisión
  • La vertiginosa velocidad de los gases en los colectores, su inercia, geometría de los conductos, elementos intermediarios y apertura y cierre de las válvulas implica efectos de movimientos alternativos de vaivén con muy alta frecuencia, es la resonancia
  • Para lograr el mejor llenado y vaciado se ha de hacer coincidir determinados momentos de funcionamiento del motor con las secuencias de actuación de las válvulas, pero se logra solo a las RPM de par máximo
  • Para poder hacer coincidir la resonancia con diferentes RPM de motor se utilizan estas tecnologías: distribución de fase variable (en este enlace se desarrolla este tema más a fondo), colector de admisión de geometría variable, alzado variable de válvulas de admisión (influye más en reducir el consumo)
  • La forma más efectiva de aumentar el llenado del motor, más de lo que se podría lograr por succión de los cilindros, es la sobrealimentación
  • Si se hace mediante turbocompresor se puede mejorar aún más favoreciendo el llenado en un amplio margen de RPM
  • Varias de estas tecnologías se pueden combinar en un mismo motor para aumentar la eficacia de los resultados
  • Una investigación que lleva tiempo desarrollándose es tratar de que el motor pueda funcionar como gasolina y diésel, combinando las ventajas de los dos, es el motor HCCI, cuya traducción sería motor de Carga Homogénea Encendido por Compresión

10,8 % de consumo de combustible del automóvil con motor térmico por pérdidas de llenador a 90 km/h

10,5 % de consumo de combustible del automóvil con motor térmico por alimentación y encendido 90 km/h

Motor de gasolina

  • La explosión de la mezcla aire – gasolina se inicia al saltar la chispa en la bujía, por lo que para que la eficacia mejore se han de evolucionar los dos factores, alimentación de gasolina y encendido para provocar la chispa
  • La inyección de gasolina puede ser indirecta, en el colector de admisión, directa, dentro del cilindro o ambas combinadas
  • La alimentación del motor de gasolina empezó con el carburador, siendo después sustituido por la inyección y esta ha ido teniendo sucesivas evoluciones
  • Con el sensor de detonación (“picado de biela”) se dio un gran paso al llegar la inyección electrónica

Motor diésel

  • La combustión se produce por la auto inflamación del gasóleo inyectado en finas gotas al contactar con el aire muy caliente al final de compresión
  • La evolución de la inyección diésel contempla su historia, desde los inicios a la actualidad que es la que se representa en la diapositiva

Se investiga en motores que combine los dos funcionamientos de los motores de gasolina y diésel tratando de lograr las ventajas de ambos en la combustión HCCI.

10,5 % de consumo de combustible del automóvil con motor térmico por alimentación y encendido 90 km/h

3,2 % de consumo de combustible del automóvil con motor térmico por rozamientos de transmisión a 90 km/h

  • El par sale del motor por el embrague o convertidor de par, llega a la caja de cambios, automática, automatizada, automática con convertidor o de variación continua (CVT), estos cuatro tipos de cajas son las más utilizadas, y en estas se transforma el valor del par multiplicándolo o desmultiplicadlo y haciendo lo inverso con la velocidad, a continuación el par adaptado llega al diferencial directamente o por el árbol de transmisión, y desde este por los palieres o transmisiones a las ruedas motrices
  • Los rozamientos absorbidos por la transmisión son principalmente por la fricción entre los engranajes de las relaciones y los rodamientos de los ejes o árboles
  • Estos elementos de la transmisión están lubricados por el aceite de la caja de cambios, que en las automatizadas, automáticas y CVT hace también otras funciones
  • Según sea la viscosidad y características del aceite de caja de cambios se pueden adaptar los rozamientos, también por las superficies de fricción del dentado de los engranajes y tipos de rodamientos, simplificando: cónico, de rodillos o de bolas
  • Según la tecnología utilizada, el consumo de la caja automática puede ser igual o inferior a la manual

3,2 % de consumo de combustible del automóvil con motor térmico por rozamientos de transmisión a 90 km/h

Según cual sea la tecnología de propulsión que no emita CO2 en el futuro, esta distribución de % de consumo entre diversos factores puede variar más o menos.

Propulsión eléctrica con baterías

  • Sigue afectando: la aerodinámica que puede ser mejor al ser factible estilizar más la carrocería, la resistencia por rodadura será mayor al pesar más y las pérdidas de calor son bastante menores pues exige menos refrigeración al no haber explosiones o combustiones
  • No afecta; mínimas resistencias del motor eléctrico al no haber casi nada que friccione, solamente un eje sobre rodamientos, sin pérdidas de llenado al funcionar con electricidad, no hay pérdidas de alimentación (y encendido) pues no tiene y no hay prácticamente rozamientos de transmisión al no necesitar en principio de caja de cambios pues el par motor está disponible desde el inicio de la marcha en las baterías de propulsión
  • Esta tecnología tiene algunas particularidades que afectarán más o menos según el uso: autonomía limitada sobre todo a velocidad de autopista, elevado tiempo de recarga estándar, que se puede reducir con recargas rápidas pero llegan a fatigar las baterías si se hace habitualmente

Propulsión eléctrica con pila de combustible de hidrógeno

  • Sigue afectando: la aerodinámica que puede ser mejor al poderse estilizar más la carrocería, la resistencia por rodadura depende del peso y puede ser igual, mayor o menor y las pérdidas de calor son bastante menores pues exige menos refrigeración al no haber explosiones o combustiones
  • No afecta; mínimas resistencias del motor eléctrico y otros elementos de generación del par motor al no haber casi nada que friccione, sin pérdidas de llenado al funcionar con electricidad, no hay pérdidas de alimentación (y encendido) pues no tiene y no hay prácticamente rozamientos de transmisión al no necesitar en principio de caja de cambios pues el par motor está disponible desde el inicio
  • Esta tecnología es tan versátil como el automóvil con motor térmico, autonomía similar en ciudad y autopista y también mismo tiempo de repostaje. Falta crear red de hidrogeneras

Hay una opción más en la que todo lo que se ha explicado sobre el motor térmico y el consumo sigue teniendo similares influencias, sería si se llega la llevar a término el desarrollo del proyecto del automóvil con motor térmico de combustión de hidrógeno, es como el motor con encendido por chispa con todos los demás elementos, tanto del motor de gasolina como transmisión, sustituyendo la gasolina por el hidrógeno.

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Esta entrada tiene un comentario

  1. Mario

    Uno de los mejores artículos que he leído en Internet!

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