Este es un resumen de la Tesis que hice en Cranfield University en los años 2000-2001. Muchas de las cosas que menciono han sido ya implantadas en los coches comerciales y desde entonces han surgido numerosos avances tecnológicos que no están aquí recogidos. Aun así el proyecto es un buen comienzo para todos aquellos que están interesados en los motores y en su tecnología.

Tesis Completa

Resumen

Este proyecto de fin de carrera analiza la posibilidad de la realización de un coche familiar de gasolina que consuma 3 litros a los 100 km , comúnmente conocido como el coche de 3 litros. En los primeros capítulos del proyecto, se estudian las posibles medidas que hay que adoptar para reducir el consumo de un coche a 3 litros / 100 km, para luego centrarse en el estudio de la viabilidad de alcanzar el consumo de 3 litros con un coche con un  motor de gasolina pequeño, y con la inyección comúnmente usada: inyección en el puerto de admisión.

También, el proyecto realiza un pequeño estudio sobre la modelización de vehículos, sus ventajas y sus limitaciones, que muestran el camino que condujo al autor al modelo final. La modelización del motor es realizada en el programa AVL Boost. Con este programa son generadas las curvas de consumo y prestaciones del motor diseñado. Posteriormente, estas curvas son procesadas para dar resultados de consumo de combustible al pasar el test europeo de emisiones Euro III por el programa creado por el autor europeancycleprogram explicado en el capítulo 6.

En este resumen en castellano van a ser analizados brevemente los motivos que promueven el uso del coche de 3 litros, las principales características del motor diseñado y principales conclusiones que se desprenden de este proyecto.

Nótese, que la versión inglesa incluída como anexo es el documento completo que refleja el trabajo realizado por el autor, en el que los puntos tratados en este resumen son expuestos en mayor profundidad. Además, la versión inglesa contiene elementos que no van a ser comentados en castellano como el estudio de las medidas que mejoran el consumo de un coche, estudio de las válvulas, estudio de la fricción de un motor o análisis de sensibilidad de diferentes configuraciones del motor.

1. Introducción

Hoy en día, los coches son un elemento indispensable en nuestras vidas. En los últimos años, han mejorado en diseño, seguridad y prestaciones. A pesar de ello, los coches son una máquina ineficiente que sólo usa un cuarto de la energía que almacena el combustible. Esta ineficiencia representa un desperdicio de los limitados recursos energéticos que son los combustibles fósiles, pero este no es el peor problema. El principal problema asociado a la ineficiencia de los coches es una alta emisión de gases de combustión, principalmente de CO₂.  El CO₂ es uno de los gases responsables del efecto invernadero que está produciendo un calentamiento de la Tierra.

Muchos países han decidido combatir el calentamiento de la Tierra. Para ello, 155 países se reúnen en la UNFCCC (U.N. Framework Convention on Climate Change) y han decidido firmar acuerdos como el Protocolo de Kyoto, en los cuales se comprometen en reducir las emisiones de gases que producen el efecto invernadero. Entre otras medidas, estos países se comprometen a reducir las emisiones de CO₂ producidas por los coches reduciendo su consumo. Más aún, en Octubre de 1998, estos países se pusieron como objetivo conseguir que la media de consumo de los coches nuevos sea 5 litros a los 100 km en el año 2005 y, como tarde, en el año 2010.

Está previsto, que en un futuro cercano, los países que firmaron el Protocolo de Kyoto se pongan como objetivo el obtener un consumo medio de los futuros nuevos coches de 3 litros a los 100 km . Esto está promoviendo que la mayoría de los fabricantes de coches estén estudiando la viabilidad del coche de “ 3 litros ”.

Los esfuerzos de los fabricantes por conseguir un consumo de 3 litros puede verse reflejado en los siguientes  “concept cars”:

-         Renault / Greenpeace Smile. 3.3 litros a los 100 km .

-         Honda Insight. 3.4 litros a los 100 km . Coche híbrido, actualmente en el mercado.

-         Opel G90. 3.88 litros a los 100 km .

-         Nissan Cypact. 3.4 litros a los 100 km .

-         Volkswagen Lupo. 4.1 litros a los 100 km

La meta de los fabricantes de obtener un coche que consuma 3 litros a los 100 km tiene 2 principales argumentos:

1.      Reducir el consumo del coche, para hacerlo más atractivo en el mercado.

2.      La posibilidad de que los países hagan obligatorio a los fabricantes tener un coche de poco consumo en su catálogo.

La dificultad de conseguir un coche que consuma 3 litros a los 100 km no sólo radica en problemas técnicos, también tiene el inconveniente del aumento de coste del vehículo y la reducción prestaciones del vehículo.

El mejorar y modificar un vehículo produce un incremento de coste. Este incremento es estudiado por diferentes autores como Austin, Weiss, OECD o http://www-cta.ornl.gov/Publications/ORNL-TM-2000-26.pdf. Los Gobiernos pueden compensar esta subida en precio que produciría el aumentar el coste del vehículo, poniendo ayudas fiscales a los vehículos de poco consumo. De hecho, algunos países como Alemania, quitan los impuestos a vehículos con muy poco consumo, como al Honda Insight y al MCC Smart.

La reducción del consumo de un coche tiene normalmente como contrapartida la reducción de potencia, par y velocidad punta del vehículo. Esto supondría un obstáculo a las ventas de vehículos de bajo consumo. Para vencer este obstáculo los países han de tomar medidas, como la reducción de impuestos en coches de bajo consumo. Hay que resaltar que aunque actualmente a la hora de vender un vehículo, su potencia, par y su velocidad punta son factores importantes, en un futuro cercano pueden dejar de serlo, convirtiéndose el consumo del coche en el factor determinante de la compra. La razón para ello está en que actualmente el mercado está sufriendo una tendencia hacia coches de poco consumo de combustible, observándose esta tendencia en la caída en ventas de los coches del sector medio-alto, en la subida en ventas de coches muy pequeños y en la subida en ventas de coches diesel. Esta tendencia puede verse intensificada por el rápido aumento que estamos sufriendo de número de coches y, por tanto, de tráfico, produciendo una reducción en la velocidad media de las carreteras.

2. European test cycle

Este aparatado está realizado con el objetivo de explicar al lector a qué se refiere el autor cuando habla de consumo de combustible y también para explicar qué es el “European test cycle”. Es necesario hacer estas aclaraciones, porque aunque estos dos elementos son introducidos de forma natural en la versión inglesa, en este resumen en castellano no es posible introducirlos naturalmente.

La actual regulación europea sobre emisiones y consumo de combustible está recogida en la norma Euro III. Esta norma mide las emisiones del vehículo en g/km cuando realiza el ciclo de prueba definido en la directiva 70/220/EEC y llamado “European test cycle”. La prueba consta de dos partes, una parte que simula condiciones urbanas llamada ECE 15 y otra que simula condiciones extraurbanas, llamada EUDC. El ciclo completo puede verse en la siguiente figura.

Figura 1. European test cycle

Este mismo ciclo es el usado por los fabricantes para dar datos de consumo y es, por tanto, el usado en el programa creado por el autor (europeancycleprogram) para dar los datos de consumo del motor diseñado.

3. Mejoras para alcanzar el coche de 3 litros

En el capítulo 2 se estudian en detalle las medidas que pueden adoptarse para mejorar el consumo de un vehículo. A continuación van a ser listadas las medidas más importantes.

§         Reducción de peso

§         Reducción de la resistencia a la rodadura

§         Reducción del coeficiente aerodinámico

§         Limitadores de velocidad

§         Rediseño de la transmisión. Transmisión variable.

§         Coches híbridos

§         Celdas de combustible

§         Combustibles alternativos

§         EGR (recirculación de los gases de escape)

§         Combustión pobre. GDI (inyección directa de gasolina)

§         Sobrealimentación del motor

§         Válvulas con tiempo de apertura variable y levantamiento variable

§         Motores sin válvula de mariposa. Camless (sin árbol de levas)

4. Motor pequeño de gasolina y con inyección multipunto en puerto de admisión

En este apartado van a ser explicados los motivos que llevan a usar la configuración adoptada en este proyecto: motor pequeño de gasolina con inyección multipunto en puerto de admisión.

El que el motor tenga inyección multipunto en puerto de admisión, no representa ninguna ventaja, ya que es el tipo de inyección comúnmente usado por los motores de gasolina.

4.1 Ventajas del motor de gasolina

Actualmente los “concept car” de los fabricantes de coches que buscan un coche que consuma 3 litros a los 100 km son: gasolina, diesel o híbridos usando uno de los dos anteriores combustibles.  Por este motivo se discute a continuación las ventajas de usar un motor gasolina frente a uno diesel desde el punto de vista de consumo y emisiones.

§         El diesel produce cáncer. Dos tercios del riesgo de contraer cáncer por  respirar aire contaminado es debido a las emisiones de los motores diesel. El motivo de esta afirmación reside en que las partículas contenidas en las emisiones de los motores diesel y los poli cíclicos depositados en ellas, debido a su pequeño tamaño, penetran en nuestros alvéolos pulmonares produciendo cáncer.

§         Según estudios epidemiológicos realizados, el diesel contamina más que un coche gasolina. Ésto puede observarse en la agencia de certificación de vehículos británica (VCA), donde hay registrados 208 modelos de coche que cumplen la regulación de emisiones  Euro IV, pero ninguno es diesel. A pesar de que dicha regulación es menos dura con los coches diesel que con los gasolina.

§         “Un litro de diesel no es un litro de gasolina”. El diesel es más denso que la gasolina, produciendo mayores emisiones de CO₂ que la gasolina. Por lo tanto si el motivo de consumir un coche que consuma 3 litros a los 100 km es reducir las emisiones de CO₂ este coche ha de ser de gasolina.

§         Los coches diesel son más pesados y más caros de fabricar.

Como contrapartida el uso de un motor diesel tiene las siguientes ventajas:

§         Economía. Los combustibles líquidos se compran por volumen, por lo que al ser el diesel más denso que la gasolina, produce más energía por litro.

§         El motor diesel permite mayores relaciones de compresión, produciendo que este tenga una mayor eficiencia térmica que el motor de gasolina.

Es importante destacar que combustibles alternativos como el hidrógeno, el CNG ( gas natural comprimido) o LPG (gases licuados del petróleo) presentan beneficios  en consumo y emisiones frente a la gasolina como se estudia en el apartado 2.3.

4.2 Ventajas de un motor pequeño

Un motor pequeño es más eficiente que un motor grande por los siguientes motivos:

§         Menor fricción dentro del motor porque el cilindro y las presiones son menores..

§         Elementos del motor más pequeños y por tanto al ser más ligeros requiren menos energía para moverse.

§         Al ser el motor pequeño, el conductor tendrá que pisar más el acelerador para conseguir la misma potencia, por lo que el motor funcionará a mayor carga, usando el motor cerca de la región de mínimo consumo.

§         Reducción del peso del motor, reduciendo el peso del vehículo, y por tanto la energía requerida del motor.

§         Mejora el “empaquetamiento del vehículo”, haciendo posible reducir el exterior del vehículo, manteniendo el volumen interior, reduciendo de esta forma peso.

Nótese que una de las principales ventajas de un motor pequeño es que tiene menos fricción. La influencia de este parámetro en el consumo del vehículo puede estudiarse fácilmente a través del programa AVL Boost a través de la fmep (presión media de fricción) requerida por el programa como dato. Por este motivo entre el capítulo 4 y el apéndice 4.2 es estudiada la fmep y modelos para estimarla. Los modelos estudiados de fmep no son aplicados a las simulaciones hechas para la realización de este proyecto, porque requieren un grado de definición del motor, que no es posible alcanzar con un proyecto de un año de duración y una sola persona.

5. Características del vehículo

Este proyecto está basado en el estudio y simulación de un motor, pero para poder calcular el consumo de combustible es necesario asumir parámetros del coche en el que el motor va montado como: el peso, el coeficiente aerodinámico y el tamaño de ruedas del vehículo en el cual el motor va ha ser montado. Para poder hacer estas hipótesis, en el capítulo 3, se comparan distintos vehículos y se estudian las implicaciones que cada valor tiene. Al final se han tomado valores pequeños, que promueven un buen consumo de combustible, pero que, a la vez, son viables de producir, como puede verse en el capítulo 3. A continuación están incluidas unas tablas que recopilan las principales características del vehículo elegido.

Tabla 1. Principales parámetros del coche asumido

Tabla 2. Transmisión del Hyundai Atos

6. Diseño del motor

En este proyecto se ha utilizado el simulador de motores AVL Boost para diseñar un motor gasolina pequeño, pero suficientemente grande para que sea capaz de realizar el “European test cycle”.

En el capítulo 4 y sus apéndices se estudia la modelización de motores, sus características y sus limitaciones. Estos estudios junto con los análisis de sensibilidad y otras decisiones sobre la modelización de motores recogidas en el capítulo 5 condujeron al autor a un modelo final. A continuación es presentado una representación esquemática del modelo final del motor diseñado en AVL Boost.

Figura 2. Representación esquemática del motor diseñado en AVL Boost

Los principales parámetros que definen cada elemento están recogidos en el apéndice A y la explicación del motivo de la elección de los valores adoptados está en los capítulos 4 y 5. A continuación se van a recopilar los parámetros más  importantes que definen el motor:

Tabla 3. Principales parámetros del motor

Uno de los parámetros más importantes en la simulación de motores son las válvulas, y por ello, se les presta gran atención en este proyecto en el capítulo 4 y el apéndice 4.1.  En estos puntos se ve cómo es importante el número de válvulas, su diámetro, el tiempo que están abiertas y lo su máximo levantamiento. Los valores finalmente usados tras un exhaustivo análisis son los siguientes:

Tabla 4. Principales valores de definición de las válvulas

Es importante tener un descriptor del levantamiento de la válvula en función de los anteriores parámetros. Por ello el autor escribió en Visual Basic un programa que calculase el perfil de la válvula que está explicado en el apéndice 4.1 y cuyo código está en el apéndice E.  Los resultados obtenidos con este programa son incluidos a continuación.

Figura 3. Perfil de la válvula de escape

Figura 4. Perfil de la válvula de admisión.

Otros importantes parámetros como las longitudes de las tuberías, sus diámetros, los coeficientes de flujo de las uniones, etc no se incluyen en este resumen. Para más información sobre valores usados en la simulación final del motor váyase al apéndice A y para obtener una explicación sobre por qué esos valores y no otros, léase los capítulos 4 y 5.

7. Resultados de AVL Boost

Una vez definido el motor en AVL Boost, éste simula el comportamiento del motor. Como resultado, se obtuvieron la siguientes curvas de par y potencia a máxima carga:

Figura 5. Par y potencia del motor diseñado. A plena carga.

 Figura 6. Consumo específico del motor diseñado

Como se puede observar en la figura 5, la curva de par es bastante plana, por lo que el coche tendrá una fácil manejabilidad. También es notable que los valores de par y potencia son bastante pequeños, como era de esperar debido a que la cilindrada del motor diseñado es de 600 cc. Los pequeños valores de par y potencia harán que el vehículo no tenga una buena aceleración y no tenga un velocidad punta mayor de 140 km/h , pero, por contrapartida, el vehículo tendrá un excepcional consumo, como se verá mas adelante. Por último queda mencionar que la curva de consumo específico posee un mínimo de 243 g/KWh, valor muy inferior a los 260 g/Kwh normales de los coches actualmente en el mercado. Esto último junto con que la curva es bastante plana entre 2000 y 5000 rpm, hace suponer que los valores finales de consumo serán bajos, como se comprobará posteriormente.

Para calcular el consumo del vehículo, además de las curvas características a plena carga, es necesario tener a cargas parciales un mapa del par y del consumo específico de combustible (bsfc) en función de la velocidad del motor y la carga del mismo.

Los mapas obtenidos a través de AVL Boost son los siguientes

Figura 7. Mapa del par motor del motor diseñado, respecto a velocidad del motor y  al grado de carga.

Figura 8. Mapa de consumo específico del motor diseñado, respecto a la velocidad del motor y al grado de carga

8. Resultados de consumo de combustible. Europenacycleprogram

Los anteriores mapas representan el comportamiento del motor y han de ser introducidos en algún programa que simule la interacción motor-vehículo, de forma que simule la circulación del coche. Aunque hay un programa gratuito del gobierno estadounidense llamado Advisor que realiza lo anterior, se decidió que el autor escribiese su propio programa en Matlab. El motivo fue que así se podría obtener mayor flexibilidad, permitiendo analizar directamente los datos proporcionados por AVL Boost y permitiendo estudiar factores que Advisor no permite. Como resultado el autor escribió el programa europeancycleprogram, que está explicado en el tema 6 y cuyo código está en el apéndice B. El programa calcula el consumo de combustible que tiene un coche al recorrer el “European test cycle”. El programa está hecho de forma modular, de modo que toda la información necesaria para el cálculo está incluida en ficheros de texto externos fácilmente manipulables. Permitiendo de este modo que personas que desconozcan Matlab puedan modificar fácilmente los valores de entrada para hacer distintos análisis de sensibilidad.

Los resultados dados por AVL Boost fueron introducidos en europancycleprogram, permitiendo el cálculo de la siguiente tabla.

Tabla 5. Consumo de combustible en litros/100km del motor diseñado montado en el coche asumido

De la anterior tabla se desprenden dos importantes conclusiones:

 La primera, que la velocidad de ralentí es un importante parámetro en el consumo del coche.

La segunda, y más importante conclusión, es que para conseguir “un coche pequeño de gasolina con inyección común en puerto de admisión” que consuma 3 litros de gasolina a los 100 km , es necesario desactivar el motor cuando se produce situación de ralentí. La razón de ésto reside en que, en ralentí, el motor está consumiendo combustible, cuando no está produciendo ningún trabajo, por lo que se está desperdiciando combustible.

Aunque la desactivación del motor en estado de ralentí es una tecnología que actualmente se usa en los coches híbridos, presenta los siguientes problemas:

1.      Ha de tenerse cuidado de que no haya un consumo de combustible adicional cuando se encienda el motor. Este problema era inevitable en los motores con carburador, pero actualmente es posible de conseguir retrasando la inyección hasta que el motor haya alcanzado 800 rpm.

2.      Enfriamiento del catalizador. Cuando se desactiva el motor, el catalizador se enfría, por lo que las emisiones (salvo las de CO₂) se dispararán. Este problema podría ser solucionado de tres formas. Primero, haciendo un estudio de cuánto tiempo el motor puede estar desactivado sin que produzca un aumento de emisiones distintas al CO₂. La segunda puede consistir en mantener sólo uno de los cilindros funcionando cuando se produzca situación de ralentí, esto supondría un consumo de 3.66 litros /100 km. Por último, otra alternativa, podría ser usar un combustible cuyas emisiones no dependiesen de un catalizador.

9. Análisis de sensibilidad

En el anterior apartado se vio el impacto de la velocidad de ralentí y de la desactivación del motor sobre el consumo. A continuación se va a mostrar cómo se puede reducir el consumo del vehículo reduciendo el coeficiente aerodinámico, el área frontal o la masa del vehículo. Para ello se toma como referencia el vehículo usado para generar los datos de la tabla 5 y cuyos principales parámetros que están resumidos en la tablas 1 y 2. La velocidad de ralentí que se va a tomar es 800 rpm.

Figura 9. Consumo respecto al porcentaje de cambio de masa, coeficiente aerodinámico y área frontal al pasar el European test cycle.

Del anterior gráfico puede observarse que el cambio de masa es, de los 3 parámetros, el que más reduce el consumo del vehículo para un mismo porcentaje de variación. Además es el único de los 3 parámetros que puede ser cambiado con facilidad, adoptando las medidas explicadas en el capítulo 2.

Otra importante conclusión que puede sacarse del gráfico anterior, es que reduciendo la masa, el coeficiente aerodinámico y el área frontal no se producen grandes cambios en el consumo de gasolina, y por tanto simplemente adoptando esta vía, es imposible alcanzar el coche de 3 litros . Esto resalta la importancia de mejorar el motor, de la posibilidad de desactivar el motor en ralentí y la importancia de combustibles alternativos.

En este punto, es importante mencionar que los valores del coche asumido de masa, área frontal y coeficiente aerodinámico (tabla 1) son bajos, pero a la vez son viables, como es discutido en el capítulo 3. También el motor es sumamente pequeño, por lo que un incremento en cualquier parámetro puede producir que el motor no sea capaz de generar suficiente par y en consecuencia el coche no pueda conseguir seguir el perfil del European test cycle. Usando el programa europantestprogram se puede comprobar que el motor diseñado, con la caja de cambios que tiene, es capaz de pasar el european test cycle, incluso si se aumenta el peso del vehículo a 1000 kg o el coeficiente aerodinámico a 0.3.

10. Validación de los resultados. Comparación con el MCC Smart.

En este apartado se va ha mostrar que los valores obtenidos de par, potencia y bsfc son normales para un motor de 0.6 litros . Para ello, los valores por litro que el motor diseñado produce, van ha ser comparados con los que Harrison (2000) estipula como normales en el mercado actual.

En la figura 5 puede verse que el máximo par es de 51.9 Nm a 4000 rpm, lo que supone 86.5 Nm por litro. Valor muy cercano a los 90 Nm por litro sugeridos por Harrison. También en esta misma figura puede verse que la máxima potencia es 25000W a 6000 rpm, lo que implica 41.7 KW por litro, valor también muy cercano a los 45 kW/litro sugeridos por Harrison. Por último, se alcanza un consumo específico mínimo de 243g/kWh, valor menor que el común 260 g/kWh, como se esperaba de un motor más pequeño.

Como se puede ver los resultados obtenidos son bastante buenos, alcanzando valores muy cercanos a los que se están obteniendo en el mercado actual, pero con ua mejora en el consumo de combustible (mejora en la curva de consumo específico).

Como ya se ha mencionado repetidas veces, la cilindrada total del motor diseñado es de 600 cc. Ésta es la mima cilindrada que tiene el MCC Smart, que es el vehículo gasolina del mercado actual con mejor consumo después del Honda Insight (vehículo híbrido). Las principales diferencias entre el Smart y el vehículo diseñado están en que el Smart está sobrealimentado con un compresor, y tiene 6 marchas en vez de 5. Al estar sobrealimentado este vehículo produce un 31% más de potencia y un 34.8% más de par, pero, por el contrario, tiene un consumo de combustible un 19.8% mayor. El hecho de tener 6 marchas le permite obtener un mayor rendimiento del motor, consiguiendo mejores aceleraciones y mejores consumos que con el mismo motor montado en una transmisión de 5 marchas.

Otro punto a resaltar es que el Smart es un coche muy pequeño mientras que el coche en el que se montaría el motor diseñado sería un vehículo más grande, con una longitud del orden de 3.7 metros (capítulo 3). Permitiendo de este modo, proporcionar un mayor confort a los pasajeros.

11. Conclusiones

El objetivo de alcanzar un coche que consuma 3 litros a los 100 km viene promovido por la reducción que los países quieren hacer en las emisiones de CO₂ con el objetivo de reducir el calentamiento de la Tierra producido por el efecto invernadero. Bajo estas premisas, este proyecto estudia las posibles mejoras técnicas que se pueden hacer a un coche para conseguir bajar su consumo, y por lo tanto reducir sus emisiones de CO₂. Posteriormente el proyecto se centra en la estrategia de un coche de gasolina con un motor pequeño de inyección multipunto.

En este resumen el autor ha intentado dar la suficiente información para que el lector pueda seguir el proceso lógico que llevó al autor a las conclusiones que a continuación se recogen y que de alguna forma describe las partes más importantes de su trabajo. <