qué hacen los constructores de automóviles para reducir el

Algunas definiciones: consumo decarburante, emisiones de CO2 yemisiones de gases contaminantes

En primer lugar, vamos a ver algunos con-ceptos básicos relativos al funcionamientodel motor de combustión interna que per-mitirán comprender la relación entre el con-sumo de carburante, las emisiones de CO2 ylas emisiones de gases contaminantes.

Para que la combustión se produzca, tantoen motores de gasolina como en diésel, elcombustible debe encontrarse con el oxíge-no y ser oxidado por éste. En el caso de losmotores gasolina de inyección indirecta, lamezcla del combustible y del oxígeno se ha-ce en los tubos de admisión a los cilindros,justo antes de las válvulas. En el caso de losmotores de inyección directa gasolina o dié-sel, el combustible se introduce directamenteen la cámara de combustión. La combustiónes iniciada por las bujías en los motores ga-solina o por la presión generada en la com-presión en los motores diésel. Químicamen-te, el carburante es oxidado en una reacciónexotérmica produciendo fundamentalmenteCO2 y H20 y otros componentes minorita-rios: CO, HC (hidrocarburos no quemados),óxidos de nitrógeno (NOx)…

El equilibrio del carbono indica que todocarbono encontrado en el escape del vehículoprocede necesariamente del combustible. Deesta manera, conociendo la composición y lacantidad de los gases de escape, a través deuna fácil proporción, se puede deducir el con-sumo de carburante. Entre los gases resultan-tes de la combustión, el CO2 es, en muy altaproporción, el componente mayoritario, asíque, en una primera aproximación se puededecir que las emisiones de CO2 por kilómetrorecorrido del vehículo son proporcionales alconsumo de combustible por kilómetro.

Sin embargo, la cantidad emitida de losotros gases contaminantes (CO, HC, NOx,par tículas) depende de las condiciones enque se produce la combustión. Factores co-mo el reglaje del momento exacto en que seproduce la inyección dentro del ciclo, el diá-metro de los agujeros de los inyectores, elreglaje del alumbrado de las bujías, la calidaddel combustible, la forma de la cabeza delpistón y la forma de la cámara o las condi-ciones de presión y temperatura dentro delcilindro modifican la cantidad y la composi-ción de gases contaminantes en el escape.

Estos gases contaminantes son nocivos parala salud, sobretodo para el sistema respiratorio

Qué hacen los constructores de automóvilespara reducir el consumo de combustible, lasemisiones de CO2 y de gases contaminantes

Patricia Villoslada Prado

Ingeniera de ICAI y de l'Ecole Centra-

le de Lyon, promoción 2000. Master

en Motores de Combustión Interna

en el Instituto Francés del Petróleo

(París). Jefe del Servicio “Emisiones,

Prestaciones y Consumo” en PSA

Peugeot-Citroën (centro de estudios

de La Garenne, París). Responsable de

la definición de emisión de CO2 en

nuevos vehículos y del desarrollo de

modelos matemáticos para previsión

del consumo y determinación de es-

pecificaciones técnicas del motor.

Comentarios a:

[email protected]

22 anales de mecánica y electricidad / enero-febrero 2008

xx_gases 3/3/08 08:21 Página 22

y cardiovascular, produciendo irritaciones, in-flamaciones de los bronquios, acentuandolos síntomas del asma, dolores de cabeza…algunos de estos gases son, además, precur-sores en la producción de ozono, que es, asu vez, un gas de efecto invernadero, quetanto preocupa en estos días.

Las normas europeas limitan la emisión degases contaminantes de los vehículos detransporte privados o utilitarios y, sin embar-go, por ahora, no hay un límite establecidopara las emisiones de CO2 (o lo que es lomismo, para el consumo de combustible).

El CO2 es el principal responsable del“efecto invernadero” y de sus efectos direc-tos: el calentamiento de la Tierra y los des-arreglos climáticos. La sensibilización a esteproblema, así como la subida del precio delcombustible, está cambiando muy rápida-mente la mentalidad de los consumidores decoches, de los ciudadanos en general y delos legisladores en la Unión Europea, queempiezan a lanzar medidas iniciativas paralos consumidores y a hacer presión sobre losconstructores de coches para que fabriquenvehículos más económicos.

El contexto actual: normas eincitaciones de la Unión Europea,las motivaciones del cliente

• La presión de la Comisión Europeasobre los constructores de coches parala reducción de emisiones de CO2

La reducción del CO2 emitido por los vehí-culos es una de las prioridades de la Comisión

Europea. Ésta exige a los constructores deautomóviles un esfuerzo creciente en el di-seño de sus vehículos para que cada vez se-an más económicos en el consumo de com-bustible.

El indicador matemático utilizado por laComisión Europea es el CAFE (CorporateAverage Fuel Economy). Es la media ponde-rada por el volumen de ventas de las emisio-nes de CO2 del parque nuevo de vehículosvendido por un constructor. Así, un cochecuyas emisiones de CO2 sean elevadas peropoco vendido, tendrá un peso en el CAFEbastante limitado, mientras que un cochefuertemente vendido deberá tener un con-sumo reducido si el constructor quiere limi-tar su CAFE global. Este indicador reflejabien las emisiones de CO2 globales realmen-te recibidas por la atmósfera.

Fue el congreso de EE UU el primero enutilizarlo en 1975 al imponer un límite máxi-mo de CAFE para reducir el consumo depetróleo después de la gran crisis de 1973.Según muchos expertos, gracias a la regula-ción del CAFE, las emisiones de CO2 de losvehículos en EE UU se han mantenido más omenos constantes desde principios de losaños 80, a pesar de la bajada del precio delpetróleo.

Volviendo a Europa, en el año 1999, laAsociación de Constructores Europeos delAutomóvil (ACEA) se comprometió volun-tariamente a alcanzar antes del 2008, unCAFE de 140 g/km. Este compromiso fueaceptado por la Comisión Europea en fe-brero 1999.

Qué hacen los constructores de automóviles para reducir la emisión de contaminantes y el consumo de combustible 23

Figura 1. CAFE Europa por constructor

230

210

190

170

150

130

110

90

Con

sum

o no

rmal

izad

o (C

O2

g/km

)

95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

130142,8

+ + + +

+**

**

++++++

146,9Recta de tendencia

1995 = 185 g á 2008 = 140 g

VAG TOYOTA BMW PSA * GM

+ FORD FIAT ACEA RENAULT DAIMLER CHRYSLER

Recta de tendencia

2008 = 140 g á 2012 = 140 g

Recta de tendencia

2012 = 120 g á 2050 = 0 g

+


En febrero del 2007, la Comisión Europeafijó un nuevo objetivo todavía más ambicio-so: un CAFE de 120 g/km en 2012. Los cons-tructores de automóviles se comprometie-ron a hacer enormes esfuerzos, peropidieron igualmente que las instituciones pú-blicas y otros fabricantes se unieran al es-fuerzo. El acuerdo final es el siguiente:• Los constructores de automóviles debenalcanzar un CAFE de 130 g/km vía la mejoradel diseño de sus vehículos (rendimiento delmotor, caja de cambios, características el ve-hículo…).• Los 10 g/km complementarios serán al-canzados gracias a otras tecnologías: indica-dor de cambio de marcha, mejora de losneumáticos, sistemas de climatización máseficaces el uso de biocombustible…

La Figura 1 muestra la evolución del CAFEdesde 1995 hasta hoy para cada uno de losconstructores que venden coches en Euro-pa, así como la trayectoria necesaria para al-canzar los 120 g en 2012.

• La incitación fiscal y la motivación delos compradores de coches para lareducción de CO2

La Comisión Europea, además de exigir es-fuerzos a los constructores de automóviles,quiere incitar a los compradores de coches aelegir modelos más eficientes. Una buena elec-ción pasa por una buena información, por esola Unión Europea exige a los vendedores deturismos nuevos que faciliten a los eventualescompradores información sobre el consumode combustible y las emisiones de CO2.

Esa información debe figurar en el etique-tado del vehículo, en los carteles y en todo elmaterial de publicidad. El tipo de etiquetadoelegido es del mismo formato que el ya exis-tente para los electrodomésticos: una escalade mayor a menor eficiencia energética, gra-duado en letras y colores de la “A” a la “G”.

Así, en el concesionario de coches, debeaparecer para cada vehículo una etiqueta co-mo en la Figura 2.

El “rendimiento energético” reflejado en estasetiquetas depende únicamente de las emisionesde CO2 globales del vehículo. Un coche peque-ño, por ser pequeño, tendrá más facilidades pa-ra obtener una etiqueta de bajo consumo queuno grande, aunque el rendimiento energéticodel motor sea equivalente o incluso menor.

Éste es uno de los puntos de batalla entrelos constructores europeos. Aquéllos cuyomayor volumen de ventas corresponde a co-ches pequeños, como los franceses, están in-teresados en este tipo de indicador. Los ale-manes, cuyos coches son de media másgrandes, defienden un indicador del tipo gCO2/km dividido por la masa del vehículo, opor la superficie proyectada en el suelo.

Parece claro que desde un punto pura-mente ecológico, teniendo en cuenta queuna gran mayoría de los trayectos en cocheen Europa se hacen sin pasajeros, el indica-dor más coherente es el utilizado actualmen-te, pues refleja directamente la cantidad deCO2 recibido por la atmósfera.

Además, bajo incitación de la Unión Euro-pea, la mayoría de los países han puesto enmarcha una fiscalidad vinculada con las emi-siones de CO2, ya sea el impuesto de matri-culación, de circulación o incluso, es el casode Bélgica, un mecanismo de desgravacióndel impuesto sobre la renta. Las flotas de ve-hículos profesionales son objeto de graba-ciones-incitaciones importantes.

El último agente que incita a la reduccióndel consumo, y no el menos importante, esla subida del precio del carburante. El cliente


Figura 2. Etiqueta consumo carburante

Consumo de carburante y emisión de CO2

Marca: Citroën

Modelo: C3

Versión: 5P 1.4 HDI

Energía: Diésel

Consumo Consumo mixto:

de carburante 4,2 l/100 km

Consumo urbano: 5,3 l/100 km

Consumo no urbano: 3,6 l/100 km

CO2 Emisiones escasas de CO2 110 g/km

Emisiones elevadas de CO2

100 g/km A

B

101 a 120 g/km B

121 a 140 g/km C

141 a 160 g/km D

161 a 200 g/km E

201 a 250 g/km F

250 g/km G


hoy en día esta mucho mas atento al consu-mo de su vehículo que hace unos años.

• La presión sobre la emisión de gasescontaminantes

Las emisiones de gases contaminantes es-tán limitadas en Europa para los motores ga-solina desde el año 70, y desde el 82 para losmotores diésel. Desde que la norma existe,las emisiones de los motores diésel han sidoreducidas en un 95%, y en un 98% en losmotores gasolina, lo que corresponde apro-ximadamente a dividir por 2 las emisiones¡cada cinco o seis años!

Las últimas normas aprobadas son las lla-madas EURO 5 y EURO 6, con las que seendurecen todavía más los límites máximos.La norma EURO 5 será aplicada a partir deseptiembre 2009 para los nuevos modelos, yen enero 2011 para todos los vehículos ven-didos nuevos. La norma EURO 6 se aplicaráaproximadamente 5 años más tarde.

Los gases contaminantes limitados son:CO, HC (metálicos y totales), NOx y partí-culas. Las Figuras 3 y 4 permiten ver la evolu-ción de la norma en el tiempo.

• Cómo se mide el consumo y lasemisiones de CO2 y de gasescontaminantes

Hagamos un pequeño apartado sobre lamanera de medir el consumo, las emisionesde CO2 y los gases contaminantes.

En cuanto al consumo, existen muchas me-didas del consumo. Las revistas del automóvil,las asociaciones de consumidores y diferentesinstituciones no oficiales hacen medidas deconsumo de los vehículos. Para un mismo ve-hículo, según el tipo de circuito, el consumode un coche puede variar del simple al doble(ver Figura 5). Por eso, la norma europea, mi-de en consumo según un ciclo bien definido .• Las emisiones de CO2 y gases contami-nantes oficiales

Antes de la puesta en venta de un vehícu-lo en Europa (Japón, EE UU y China tienensus propias normas), el constructor debe re-alizar la medida del consumo de su vehículodelante de una de las instituciones homolo-gadas por la Unión Europea. Este consumodeberá ser anunciado claramente en la ex-posición de venta del vehículo, como ya he-mos explicado anteriormente.

El ciclo es siempre el mismo para todoslos vehículos, y está definido por un perfil develocidad en función del tiempo. Esta com-puesto de dos partes: ECE, representativo de

una conducción en ciudad y realizado cuatroveces consecutivas; y EUDC, representativode la conducción en las afueras de la ciudad(ver Figura 6).


Figura 3. Evolución límites reglamentarios de emisión de gasescontaminantes gasolina

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

01965

CO HCR

educ

ción

de

las

emis

ione

s (%

)

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Referencia R15 1971ex Vehículo de gasolina

1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

2010 2015

97,8

98,0

0,014,9

82,182,1

89,7

64,364,3

42,9 42,9

0,00,00,00,0

60,563,5

85,5

82,1

94,796,6

0,0

19,724,8

34,9

50,0

80,3

92,794,1 94,1

92,0 92,096,0

Figura 4. Evolución límites reglamentarios de emisión de gasescontaminantes diésel

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

CO HC + Nox partículas

1980 1985 1990 1995 2000 2005


1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

2010 2015

Red

ucci

ón d

e la

s em

isio

nes

(%)

87,1

97,3 94,5 95,8

91,1

94,5

Figura 5. Diferentes tipos de consumo vehículos

EE U

U auto

pista

Euro

pa B

UDC

Vehículo MI 1400 cm3 de gasolina

EE U

U mixt

o

Japon

15

EE U

U ciud

ad

Pren

sa-Carr

etera

Euro

peo

9910

0

Japón

10-1

5

Pren

sa-au

topis

ta

Pren

sa-Mixt

a

Japón

10

Pren

sa-Ciud

ad

Euro

pa EC

E

Con

sum

o (l/

100

km)

14

12

10

8

6

4

2

0

66,9 7,1 7,5 8

8,5 8,7 8,8 8,89,7

10,2

11,7 11,9


Para que la medida sea repetitiva, no se reali-za en pista sino sobre un banco de rodillos.Como el vehículo permanece físicamente a ve-locidad nula, el banco simula las fuerzas exterio-

res al vehículo (fundamentalmente la fuerza ae-rodinámica, el rozamiento de los neumáticoscon la carretera y la masa inercial del vehículoen las fases de aceleración y deceleración), gra-cias a un freno eléctrico o hidráulico.

Durante este ciclo, los gases de escape sonrecogidos y analizados. Se miden las emisio-nes de CO2 y de gases contaminantes.

Cómo disminuir el consumo

• Mejorando la definición del vehículo

DISMINUYENDO LA MASA

La disminución de la masa tiene un “efectovirtuoso sobre la masa”. Cuando se ganan ki-los en un coche, se puede reducir la masa delequipo de frenado, ya que éste será dimensio-nado para frenar menos inercia. El mismo cír-culo virtuoso se produce sobre el dimensiona-miento de la estructura para la seguridad encaso de choque. Cuanta menos masa tenga elvehículo, menos energía es necesario absorberen caso de choque, y menos material absor-bente será necesario integrar en la estructura.El sistema de enfriado de aire y agua puedeigualmente ser reducido al reducir la masa delvehículo puesto que la situación dimensionan-te, que es el vehículo a su carga máxima encuesta o remolcando una caravana, la necesi-dad de potencia del motor será menor y portanto, la necesidad de disipación de energía se-rá menor. Se puede reducir entonces el tama-ño del radiador, de los ventiladores…

Otro efecto virtuoso de la masa se produceen los motores diésel, a través de la emisiónde gases contaminantes. Un coche más ligeroconsumirá menos combustible y producirá,por simple proporción, menos gases contami-nantes. En los motores diésel, el reglaje de lacombustión es un equilibrio entre el consumoy la emisión de NOx, de manera que si la emi-sión de contaminantes es baja, se puede opti-mizar este compromiso en favor del consumo.

Al final, la reducción de 100 kg en un cochereduce el consumo entre 0,15 y 0,25 l/100km (unos 4 a 7g de CO2 en gasolina y diésel).

La tendencia del mercado ha sido global-mente al aumento constante de la masa debi-do a la multiplicación de equipamientos parael confort (climatización, motores eléctricospara el elevalunas, el reglaje de los asientos) eldimensionamiento para la seguridad en casode choque, la presencia de airbags… La utili-zación de materiales menos pesados, aunquela ha reducido, no ha conseguido equilibraresta tendencia.Todo parece indicar que, bajo


Figura 7. Evolución de la masa media en gasolina y diésel

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

La masa de los vehículos no deja de crecer desde 1984, lo cual se debe en parte al aumento de laseguridad y a la multiplicación de los equipos de confort (ventanillas eléctricas, climatización) quecompensan la pérdida de peso relacionada con el aligeramiento de los materiales.

1984

Total general Total gasolina Total diésel

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Figura 6. Perfil del ciclo oficial

0 50 100 150

Ciclo ECE

Tiempo (s)

200 250

60

50

40

30

20

10

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400≠

140

120

100

80

60

40

20

0

Ciclo EUDC

Tiempo (s)


la presión creciente sobre las emisiones deCO2, esta carrera se esté calmando. En la Fi-gura 6 se puede ver la evolución de la masadesde 1984 en gasolina y diesel.

MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LOS

NEUMÁTICOS

Los neumáticos son los responsables del 15-20% del consumo de un coche, pero son tam-bién el elemento de unión del coche con la ca-rretera. La definición del neumático impactadirectamente las prestaciones del vehículo en laestabilidad en las curvas, la distancia de frenado,el confort vibratorio, la emisión de vibracionesacústicas, la duración de vida del neumático… yestas prestaciones son muchas veces contrariasa un neumático de alto rendimiento energético.

Se está produciendo actualmente una granevolución técnica en los neumáticos. El fabri-cante Michelin parece ser el más adelantado,y propone actualmente una gama de neumá-ticos que reducen el consumo guardandoconstantes el resto de prestaciones.

Estos nuevos neumáticos pueden reducirel consumo entre 4 y 7 g CO2/km respectoa neumáticos clásicos.

REDUCIENDO EN COEFICIENTE

AERODINÁMICO SCX

La fuerza externa al vehículo debido a ro-zamiento aerodinámico es 1/2 . � . S . Cx, sien-do S la superficie frontal del coche y Cxel co-eficiente aerodinámico.

La fuerza aerodinámica se puede reducirmejorando la superficie del coche, a travésdel diseño de la silueta global, pero tambiénreduciendo el Cx, también a través del dise-ño, creando formas aerodinámicas fluidas o através de componentes como alerones oplacas aerodinámicas en el bajo del coche.

Para un mismo concepto de coche (mono-volumen pequeño, gran berlina, deportivo…),

un SCx bien optimizado puede hacer ganar en-tre 2 y 4 g/ CO2 sobre las emisiones totales deCO2 en el ciclo oficial. A más altas velocidades,el beneficio es mayor, ya que la potencia aerodi-námica crece con el cubo de la velocidad.

DISMINUYENDO LOS ROZAMIENTOS

INTERNOS DEL VEHÍCULO

Los principales responsables del rozamientointerno del vehículo son los rodamientos y elrozamiento residual de las plaquetas de freno.

Para reducir el rozamiento de los roda-mientos, los constructores de coches exigencontinuas mejoras a sus proveedores. En cuan-to a las plaquetas de freno, el problema esque muchas veces las plaquetas de freno pue-den no volver a su posición inicial después deun frenado, produciendo un rozamiento resi-dual con el disco. Para que el conductor notenga la impresión de tener una “carreramuerta” en el recorrido del pedal del freno yque la frenada sea eficaz con los primeros mi-límetros de desplazamiento del pedal, la dis-tancia entre las plaquetas y el disco se reducelo máximo posible, lo que aumenta las posibi-lidades de que el rozamiento se produzca.

El diseño de un coche es un constante com-promiso entre muchas prestaciones: el consumopor supuesto, pero también distancia de frena-do, capacidad en las curvas, confort, seguridad…

LAS TECNOLOGÍAS DE DIRECCIÓN ASISTIDA

La función de la dirección asistida es de re-ducir el esfuerzo necesario sobre el volantedel vehículo para hacer girar las ruedas. Lascuatro tecnologías más utilizadas de direc-ción asistida son:• La dirección hidráulica. Es el sistema másantiguo. La bomba que presuriza el aceite decomando del sistema de dirección está directa-mente unida al cigüeñal y funciona de maneracontinua. El exceso de presión es evacuado


Figura 8.Tipos de dirección asistida

Depósito

HIDRÁULICA ELECTRO-HIDRÁULICA ELÉCTRICA

Bomba MecanismoVálvula

Circuito HidráulicoMecanismo

Válvula

Calculador

Captador de par

Motor

Mecanismo

Reductor de marchasy tornillo sin fin

Electrobomba (motobomba,electrónica, depósito, soporte)

Circuito Hidráulico

Consumo: 0,2 - 0,3 1/100 (5 - 8 g/km CO2) Consumo: + 0,1 1/100 (1 - 3 g/km CO2) Consumo: + 0,02 1/100 (0,5 g/km CO2)


por una válvula. Este sistema permite buenasprestaciones de dirección para grandes vehícu-los y además no es muy caro.Tiene el inconve-niente de ser poco económico en combustiblepuesto que la bomba esta dimensionada parala situación más exigente (el estacionamiento)y la diferencia entre la presión producida y lapresión necesaria en el resto de las situacioneses en realidad una pérdida de energía.

Este tipo de dirección asistida consumeunos 0,2-0,3 l/100 km (5-8 g CO2/km).• La dirección hidráulica de cilindrada varia-ble. La dirección hidráulica de cilindrada varia-ble funciona sobre el mismo principio que ladirección hidráulica clásica pero se puede pilo-tar la energía de presurización a través de la ci-lindrada de la bomba en función de la necesi-dad del momento, lo que reduce el consumo.

Este tipo de dirección asistida consumounos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km).• La dirección electro-hidráulica. En este ca-so, una bomba eléctrica remplaza la bombade la dirección hidráulica clásica y tiene la mis-ma función de presurizar el circuito hidráulicode comando. La ventaja, al igual que en la di-rección hidráulica de cilindrada variable, esque se puede adaptar la energía de presuriza-ción en el circuito de comando en función dela necesidad de asistencia del momento.

Este tipo de dirección asistida consumounos 0,1 l/100 km (1-3g CO2/km).• La dirección eléctrica. En el caso de la di-rección eléctrica, el circuito hidráulico esremplazado por un sistema eléctrico. Es elsistema que menos combustible consume, yaque además de adaptarse, como en los ca-sos anteriores, a la necesidad de asistencia,

no tiene tantas pérdidas, de manera que enlínea recta el consumo es casi nulo.

El problema de la dirección eléctrica esque no consigue imitar totalmente la sensa-ción de la dirección hidráulica al volante, alno tener el amortiguamiento que permite elcircuito hidráulico.

Este tipo de dirección asistida consumounos 0,02 l/100 km (0,5g CO2/km).

LA ADAPTACIÓN DE LA DESMULTIPLICACIÓN

DE LA CAJA DE CAMBIOS

Los ratios de desmultiplicación de las mar-chas pueden ser elegidos para mejorar elconsumo del coche. De manera general,cuanto más desmultiplicada sea una marcha,menor será el consumo del coche para unamisma potencia desarrollada por el motor.Veamos el porqué.

El consumo de un motor puede representar-se como una función que depende de dos va-riables: régimen y par, o, lo que es lo mismo, ré-gimen y PME (presión media eficaz en el pistón)o régimen y potencia (a un régimen dado, PME,par y potencia están directamente unidos).

En función de cómo se exprese esta función,se obtienen las siguientes representaciones:

Consumo (g combustible/Kwh.) en funcióndel régimen y del par (ver Figura 9).

Se representan las líneas de iso-rendimiento.Esta representación tiene la ventaja de visuali-zar la zona de rendimiento óptimo (en el casode la Figura 9, entre 2.000 y 3.000 tr/min y120-160 Nm) y de visualizar el hecho de quea un régimen dado, el rendimiento es mayorcuanto mayor es el par motor, hasta la zona depar máximo, donde el rendimiento se degrada.

Para hacer avanzar un vehículo a una velo-cidad dada, es necesario cierta potencia mo-tor. Esta potencia motor puede obtenerse abajo régimen y alto par o a alto régimen ybajo par, puesto que P = C*N. La función dela caja de cambios es precisamente de adap-tar el régimen del motor. Una caja de cam-bios continua (tipo variador continuo) per-mite desplazarse sobre esta línea deisopotencia (en el grafico se han representa-do las isopotencias 8,4kW y 14,6kW).

Pues bien, como es fácil deducir, para unamisma potencia, los puntos más interesantes seencuentran a bajo régimen y fuerte par. La ten-dencia se invierte solamente a régimen muybajo (en la Figura 9, para la isopotencia de14,6kW, la tendencia se invierte a 1250 tr/min).

Otra representación, en mi opinión muchomás sencilla y clara, es la llamada “rectas deWillans” (Figura 10). En ella se representa el


Figura 9. Cartografía de consumo del motor: líneas de iso-rendimiento

650060005500500045004000350030002500200015001000

Isopotencia a14,6 kW

Isopotencia a8,4 kW

Carto motor térmico (N[rpm], C[Nm], consumo[g/kwh])

Régimen del motor térmico (rpm)

Par

del m

otor

tér

mic

o (N

m)

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0


consumo horario (g/h) en función de la poten-cia del motor para un régimen dado. La ventajade esta representación es que permite ver queel consumo del motor es una función lineal enla mayor parte de la zona de funcionamiento.

Si seguimos el mismo razonamiento, a unapotencia dada, la desmultiplicación de la cajade cambios permite moverse a regímenesdiferentes (cambiando el par, de manera queP=C*N=cte) sobre una línea paralela al eje“y”. La intersección con la recta de consumoal régimen de funcionamiento indica el con-sumo. Como en la representación anterior,es fácil ver que cuanto menor es el régimendel motor, más bajo será el consumo.

EL INDICADOR DE CAMBIO DE MARCHA

Últimamente están saliendo al mercado ve-hículos provistos de un indicador en el tablerode bordo que muestra al conductor la mar-cha más adecuada en cada momento paraoptimizar su consumo. Si el conductor sigueeste indicador se pueden ganar entre 2 et 8 gCO2/km en función del tipo de trayecto. Porel momento, el ciclo oficial impone la marchaa seguir, de manera que el indicador no apor-ta ninguna ventaja en el consumo oficial.

• Mejorando la definición del motor

DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR

ROZAMIENTOS INTERNOS

La diferencia entre la potencia eficaz a lasalida del cigüeñal y la potencia producida in-terna del motor es debida al rozamiento in-terno del motor. Muchas son las vías estudia-das por los fabricantes de motores paradisminuir estas pérdidas. Algunas de ellas sonlas siguientes:• Mejorar el acabado superficial de las pare-des del cilindro optimizando el procedimien-to de fabricación del bloque motor.• Reducir el taraje de los segmentos (hastacier to limite, puesto que hay que asegurarque el aceite no remonte a la cámara decombustión).• Mejorar los rodamientos que mantienenel eje de levas, o el cigüeñal.• Remplazar a bomba de aceite clásica poruna bomba de aceite de cilindrada variableque adapta la energía de presurización a lanecesidad de lubricación en el circuito.• Remplazar la bomba de agua clásica poruna bomba de agua desconectable en fun-ción de la necesidad de flujo de agua.• Utilizar aceites en el motor y en la caja decambio de baja viscosidad. El límite está en que

los aceites muy fluidos pueden diluirse en elcombustible o no asegurar el arrancado en frío).• Decalaje del eje de cilindros respecto aleje del pistón.

DISMINUCIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA EN

LA MARIPOSA EN GASOLINA

Antes de entrar en más detalles, una pe-queña explicación muy simplificada de porqué los motores gasolina consumen más quelos diésel. Dos razones principales:• En los motores gasolina, la regulación de lapotencia del motor la hace el conductor so-bre el pedal del acelerador que, a su vez, va a


Figura 10. Rectas de Willans

Figura 11. Motor que permite la desactivación de cilindros

25000

20000

15000

10000

5000

00,0

1000 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm 3500 rpm 4000 rpm 4500 rpm 5000 rpm 5500 rpm

10,0 20,0 30,0

FRUGAL V6

40,0 50,0 60,0

Potencia (kW)

El grupo posterior de cilindros se cierra con carga reducida,pero los gases atrapados los mantienen en movimiento. El con-sumo de combustible mejora hasta en un 20 por ciento.

El control variable de cilindrosde Honda cierra totalmente ungrupo de cilindros, reduciendolas pérdidas de bombeo en un65 por ciento. El ruido y lasvibraciones de los tres cilindrosse suprimen mediante bancadasactivas del motor.

El sistema MDS (sistema demultidesplazamiento) deChrysler de su nuevo V8 Hemisuprime dos cilindros de cadagrupo de cuatro. El equilibrio semantiene y Chrysler afirma queel cambio de régimen no esdetectable por el usuario.

Rectas de Willans

70,0 80,0 90,0


modificar la posición de la mariposa. Puesbien, el aire que entra en la admisión del mo-tor encuentra el obstáculo de la mariposa ensu camino, lo que produce una pérdida decarga (pérdida de energía). Cuanto menospotencia se necesita, más cerrada estará lamariposa y mayor será la pérdida de carga. Sinembargo, en los motores diésel, la regulaciónde la carga se hace a través de la cantidad decombustible inyectado (la combustión en dié-sel no es estequiométrica). Los motores diéselganan en pérdida de carga en la admisión.• La segunda razón por la que un motor diéselconsume menos que un motor gasolina es por-que cuando compramos un litro de diésel esta-mos comprando en realidad más energía queun litro de gasolina puesto que el PCI volumé-trico es mayor. El consumo en litros de com-bustible es mayor en gasolina que en diésel. Siel consumo se anunciase en kg de combustible,la diferencia se reduciría casi totalmente.

Las tecnologías siguientes buscan reduciresta pérdida de carga:• Desconexión de un conducto de admi-sión por cilindro (en los motores que tienendos válvulas de admisión) gracias al slider on-off, que se desplaza cerrando un conducto encada cilindro. Este sistema tiene dos ventajas:reduce las pérdidas de carga en la mariposa yademás permite una entrada de aire más ae-rodinámica en el cilindro, factor fundamentala baja carga para optimizar el consumo.• Desactivación de cilindros: varios vehículosen el mercado utilizan o han utilizado estatecnología. La idea es desconectar varios cilin-dros cuando la necesidad de potencia es ba-ja. Se puede, en un motor cuatro cilindros,

desactivar dos de ellos, o en un motor V8, des-activar 4 (dos internos en una fila de cilindros ydos externos en la otra fila) o en V12, desacti-var 6 cilindros. De esta manera, se reducen laspérdidas internas del motor y se reducen laspérdidas de carga en la mariposa. La dificultadde este sistema es controlar el paso de un ti-po de funcionamiento a otro porque se pro-ducen fácilmente discontinuidades en el parmotor, lo que ocasiona una discontinuidadmolesta para los pasajeros en la aceleración.

Físicamente, la desactivación de los cilindrosse hace cerrando las válvulas de admisión y deescape. Existen varios sistemas en el mercadomás o menos complejos y eficientes. La ideageneral es desolidarizar el árbol de levas con laleva o con la válvula correspondiente a las ad-misiones y escape del cilindro desactivado.

El pistón, como está unido al cigüeñal (yéste sigue girando con el par producido porlos cilindros que siguen el funcionamiento)sigue haciendo su recorrido de compresióny de admisión. El gas encerrado en el cilindroes siempre el mismo.Termodinámicamente,como casi no hay pérdidas, el ciclo es adiabá-tico, así que la energía perdida en comprimirel aire es restituida al cigüeñal cuando éstese expande (la suma de las energías en nula).

Este sistema permite un ahorro de com-bustible de 5 al 10% en función del tipo demotor y del vehículo.• Sistema “Valvetronic”: (ver Figura 12) este

sistema, utilizado por BMW, regula gran par-te de la carga gracias a la apertura variablede las válvulas de admisión. Un sistema me-cánico bastante complejo es capaz de hacervariar la altura de apertura de las válvulas.El sistema “Valvetronic” permite un ahorro

de combustible de 6 al 10% en el ciclo oficial.• Sistema de apertura de válvulas electromag-nético: (ver Figura 13) la idea es la de remplazarel árbol de levas por unos accionadotes elec-tromagnéticos que comandan las válvulas. Deesta manera se optimiza, para cada punto defuncionamiento, la altura de apertura de la vál-vula y el momento en que se abre y se cierra.

Esta tecnología proporciona entre 8 y el12% de ahorro de energía.

EL DOWN-SIZING

Este término inglés significa reducir la cilin-drada del motor y, gracias a un turbo, obtenerla misma potencia. Se puede remplazar así un2.0 l atmosférico por un 1.6 l T o un 2.4 l at-mosférico por un 2.0 l T. Las ventajas de unmotor más pequeño son varias. Por un lado,se reducen las pérdidas por rozamiento por


Figura 12. Sistema Valvetronic de BMW

Muelle recuperador

Corredera

Tornillo sin fin

Válvula

Apertura media

Válvula cerrada

Empujadorhidráulico

Taqué

Palanca

Árbol de levas

Media rueda den-tada + árbolexcéntrico


simple efecto del tamaño del motor. Por otrolado, al ser la cilindrada más pequeña parauna misma potencia necesaria, la presión enel cilindro será mayor, lo que nos acerca delos puntos de funcionamiento óptimo.

El inconveniente de un motor turbo es eltiempo de respuesta de la sobrealimenta-ción, aunque la progresión de este aspectoha sido enorme en los últimos años.

STOP & START

El principio de esta tecnología es apagar elmotor cuando no se necesita potencia, esdecir cuando el vehículo esta parado o endeceleración.

La ventaja de este sistema es, evidentemen-te, el ahorro de combustible, y también la au-sencia de vibraciones y ruido cuando el cocheesta parado en atascos o en los semáforos.

El inconveniente, que los constructores decoches saben hoy reducir, es la molestia so-nora y vibratoria cuando el coche arranca.

Este sistema permite ganar entre 6 y 12 gde CO2/km, en función del vehículo, del mo-tor y de las condiciones en que el motorpueda apagarse.

HÍBRIDOS

Hay muchos sistemas híbridos en merca-do, en función de cómo se integren el o losmotores eléctricos y el motor térmico.

En un vehículo híbrido eléctrico, además deun motor térmico, existe un motor eléctricoy un sistema de acumulación de energía. Laenergía acumulada puede ser utilizada comopotencia motriz. Es decir, para una potenciademandada por el conductor, el motor térmi-co puede aportar el 100%, o solamente el80% y el 20% restante es el motor eléctricoque la aporta gracias a la energía acumuladapreviamente (en una batería o un super-con-densador). De esta manera, en aceleración, lapotencia del vehículo será la suma de la po-tencia térmica y eléctrica, lo que permite, aprestaciones constantes respecto a un vehí-culo normal, hacer uso del down-sizing (utili-zar un motor térmico más pequeño) con to-das las ventajas descritas anteriormente.

Otra ventaja es la recuperación de energíaen el frenado. En vez de disipar la energía enlas pastillas de freno, el motor eléctrico pue-de funcionar de manera invertida, acumularla energía en la batería, al mismo tiempo queofrece la deceleración demandada.

La mayor parte de los vehículos híbridosincorporan la función Stop & Start descritaanteriormente.

Algunas arquitecturas de vehículos híbridospermiten, además, la posibilidad funcionar sinel motor térmico a baja velocidad y baja car-ga (el Prius de Toyota, p. ej.), lo que permitefuncionar sin emisiones ni ruido. Esto es posi-ble durante un tiempo limitado, puesto que labatería o el super-condensador se vacían du-rante este tiempo y es necesario arrancar elmotor térmico para cargar las baterías.

El sistema híbrido aporta entre 25 y el 30%de ahorro de combustible sobre el ciclo oficial.

En la Figura 14 se ve la arquitectura simpli-ficada del Toyota Prius. El motor eléctrico, elmotor térmico y el generador están unidos aun tren epicicloidal. El tren epicicloidal fun-ciona como un derivador de potencia, repar-tiendo la potencia del motor térmico entrelas ruedas del vehículo y el generador.


Figura 13. Sistema de apertura de válvulas electromagnéticas

Figura 14.Arquitectura de vehículo híbrido

Resorte de válvula

Válvula

Batería

Generador

Motor de gasolina

Transmisión híbrida

Motor eléctrico

Engranaje reductor

Dispositivo divisor de potencia

Posición de válvula cerrada

Posición de válvula abierta

Posición de equilibrio

Accionador

Electroimán

Lengüeta

Electroimán

Resorte accionador























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230

210

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170

150

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Con

sum

o no

rmal

izad

o (C

O2

g/km

)

95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

130142,8

+ + + +

+**

**

++++++


1995 = 185 g á 2008 = 140 g



Recta de tendencia

2008 = 140 g á 2012 = 140 g

Recta de tendencia

2012 = 120 g á 2050 = 0 g

+
















Marca: Citroën

Modelo: C3


Energía: Diésel







100 g/km A

B

101 a 120 g/km B

121 a 140 g/km C

141 a 160 g/km D

161 a 200 g/km E

201 a 250 g/km F

250 g/km G















100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

01965

CO HCR

educ

ción

de

las

emis

ione

s (%

)

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005


1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

2010 2015

97,8

98,0

0,014,9

82,182,1

89,7

64,364,3

42,9 42,9

0,00,00,00,0

60,563,5

85,5

82,1

94,796,6

0,0

19,724,8

34,9

50,0

80,3

92,794,1 94,1

92,0 92,096,0


100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0


1980 1985 1990 1995 2000 2005


1150 a 1370 kg en vacío + 1,41 a 2,01

2010 2015

Red

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(%)

87,1

97,3 94,5 95,8

91,1

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Con

sum

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100

km)

14

12

10

8

6

4

2

0

66,9 7,1 7,5 8

8,5 8,7 8,8 8,89,7

10,2

11,7 11,9














1400

1300

1200

1100

1000

900

800


1984


1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005


0 50 100 150

Ciclo ECE

Tiempo (s)

200 250

60

50

40

30

20

10

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400≠

140

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100

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40

20

0

Ciclo EUDC

Tiempo (s)




NEUMÁTICOS





AERODINÁMICO SCX














Depósito




Válvula

Calculador

Captador de par

Motor

Mecanismo

























650060005500500045004000350030002500200015001000


Isopotencia a8,4 kW



Par

del m

otor

tér

mic

o (N

m)

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

















25000

20000

15000

10000

5000

00,0


10,0 20,0 30,0

FRUGAL V6

40,0 50,0 60,0

Potencia (kW)




Rectas de Willans

70,0 80,0 90,0











EL DOWN-SIZING




Muelle recuperador

Corredera

Tornillo sin fin

Válvula

Apertura media

Válvula cerrada


Taqué

Palanca

Árbol de levas





STOP & START





HÍBRIDOS











Resorte de válvula

Válvula

Batería

Generador

Motor de gasolina


Motor eléctrico

Engranaje reductor





Accionador

Electroimán

Lengüeta

Electroimán

Resorte accionador
