10 tecnologías para un futuro brillante de los motores de combustión y los cambios manuales

Los automóviles que equipan motores de combustión interna tienen un considerable potencial de mejora en sus consumos y emisiones. Por un lado, por la optimización tecnológica del propio propulsor, aumentando su eficiencia y minimizando las pérdidas de energía. Por otro, al formar parte de un sistema de propulsión híbrido. Y, por último, con el uso de combustibles alternativos, como el gas natural o combustibles sintéticos. El volumen mundial de automóviles con cambio manuales seguirá aumentando y con el E-Clutch se podrán beneficiar nuevas tecnologías en la reducción de consumo de combustible y de emisiones de CO₂.

El motor de combustión interna lleva más de un siglo de desarrollo a sus espaldas y ha alcanzado un nivel de eficiencia extraordinario. De hecho, la huella de carbono de un automóvil de gasolina puede ser incluso inferior a la de un eléctrico, cuando se tiene en cuenta toda la cadena de energía. Y es que la producción de las baterías y la generación de la electricidad que alimenta a los coches eléctricos puede generar más CO₂ que el emitido por el tubo de escape de un coche con motor de combustión en toda su vida útil; sobre todo, si la mayor parte de la energía empleada se ha obtenido en centrales térmicas alimentadas con combustibles fósiles, algo que sucede en muchos países.

Los automóviles que equipan motores de combustión interna tienen un considerable potencial de mejora en sus consumos y emisiones. Por un lado, por la optimización tecnológica del propio propulsor, aumentando su eficiencia y minimizando las pérdidas de energía. Por otro, al sumarse a un motor eléctrico y formar parte de un sistema de propulsión híbrido. Y, por último, con el uso de combustibles alternativos, como el gas natural o combustibles sintéticos.

Los motores de gasolina han realizado enormes progresos en los últimos 15 años en la reducción de su consumo y emisiones. Espoleados por una legislación medioambiental cada vez más severa, los fabricantes han ido aplicando a estos propulsores las tecnologías que ya emplearon con los diésel; por ejemplo, la inyección directa y la sobrealimentación mediante un turbocompresor. Esto ha permitido diseñar motores más pequeños (downsizing), con una menor cilindrada y número de cilindros. Además, el aumento y mejora de la entrega de par ha posibilitado alargar los desarrollos del cambio, lo que unido al aumento del número de marchas, también ha contribuido a reducir los consumos y emisiones.

El ciclo NEDC (New European Driving Cycle) de consumos y emisiones ha sido la base sobre la que los ingenieros han trabajado en el desarrollo de los motores, diseñados para que emitieran lo mínimo a bajas revoluciones y cargas. Gracias a ello, ofrecían unos consumos excepcionalmente bajos en esas condiciones; cifras que aumentaban considerablemente en el uso real diario.

Desde el 1 de septiembre de 2017 entró en vigor la nueva normativa WLTP (worldwide harmonized light vehicles test procedures, por sus siglas en inglés; Procedimientos Mundialmente Armonizados para Pruebas de Vehículos Ligeros, en castellano), que se empezará a aplicar a partir del 1 de septiembre de 2018. Las nuevas pruebas implican un promedio de velocidad más alto, aceleraciones y deceleraciones más agresivas, pautas de prueba más estrictas y consideración del equipo opcional para representar con mayor precisión el consumo de combustible para los consumidores.

En Europa, además, se realizará la prueba RDE (real driving emissions test por sus siglas en inglés, test de emisiones reales). Esta prueba no mide las emisiones contaminantes (NOx, PM, CO y HC) en un laboratorio, sino que lo hace en carretera. Dado que esta prueba no sigue un procedimiento fijo, las emisiones deben estar dentro de los límites legales en todo el rango de utilización del motor.

Estas son las tendencias y las tecnologías desarrolladas por Schaeffler que permitirán a los motores de combustión seguir avanzando en eficiencia y en la reducción de las emisiones de CO₂, adaptándose a las nuevas normativas y contribuyendo a mitigar el cambio climático.

1. Hibridación

El concepto de aunar un motor de combustión con uno eléctrico y un sistema de recuperación y almacenamiento de energía, se ha mostrado muy válido para reducir los consumos y las emisiones; y seguirá vigente en la próxima década. Los motores de combustión irán evolucionando para armonizarse con el sistema híbrido y para seguir optimizando su funcionamiento. El beneficio del concepto híbrido paralelo es el alto grado de flexibilidad de las familias de motores que se pueden emplear, tanto en sistemas de propulsión convencionales como en los híbridos, con pequeñas modificaciones; lo que permite optimizar las capacidades de producción y la inversión en desarrollo tecnológico.

2. Hibridación ‘suave’ de 48 voltios

La hibridación de 48 voltios permitirá hibridar todo tipo de motores con una relación coste-beneficio muy favorable. Las simulaciones de consumo y emisiones bajo ciclo WLTC completadas por Schaeffler muestran que un híbrido nivel 0 –el más sencillo técnicamente- logra un ahorro del 3,8% en consumos y emisiones (respecto a un microhíbrido de 12 voltios, con alternador inteligente y función start&stop) con un motor eléctrico de polos asíncronos o de polos intercalados; y de un 6,6% con motor eléctrico síncrono de imanes permanentes.

3. Distribución completamente variable Uniair

Los sistemas de distribución variable van desde un simple phaser en el árbol de levas hasta el sistema UniAir completamente variable. Estos elementos optimizan el proceso de combustión y reducen el consumo de combustible y las emisiones. Schaeffler produce en masa el sistema de distribución variable UniAir desde 2009, con más de tres millones de unidades producidas y una optimización constante. También se ha desarrollado una variante del sistema que se puede integrar fácilmente en motores ya existentes. Es importante que el motor, en general, y la turboalimentación estén adaptados a los requisitos del tren de válvulas completamente variable. Con estas premisas, el sistema UniAir reduce en un 8,4% el consumo y las emisiones en el ciclo de pruebas WLTC.

4. Gestión térmica

Para maximizar la eficiencia de los sistemas de propulsión futuros, es necesario optimizar el balance térmico de todo el sistema y de sus componentes individuales; y controlar los flujos de calor. Schaeffler lanzó el primer módulo de gestión térmica para motores de gasolina en 2011 y este sistema no ha parado de desarrollarse desde entonces. La segunda generación es un módulo mecatrónico y este sistema se irá haciendo más complejo, y descentralizándose, en el futuro. Todo lo aprendido en los flujos de calor de los vehículos híbridos se empleará en el diseño de sistemas predictivos, que consigan que todos los elementos del vehículo funcionen a la temperatura adecuada, y reciban calor o frío según las necesidades de cada momento. Gracias a ello, se aumentará la eficiencia de todo el sistema y se reducirán los consumos y emisiones.

5. Reducción de la fricción

Los rodamientos ya han reducido considerablemente los niveles de fricción en unidades accesorias, reemplazando a los cojinetes lisos en árboles de levas, ejes de equilibrado, turbocompresores y taqués. En el turbo, los rodamientos pueden reducir hasta un 80% la fricción en frío y mejorar la respuesta, lo que aumenta en un 2,5% la eficiencia, acelera la entrega de par y reduce la riqueza de la mezcla, lo que minimiza el NOx.

El siguiente paso es reemplazar los cojinetes del cigüeñal por rodamientos, algo que ya se está trabajando con Ford. Con el simple hecho de instalar un rodamiento en el primer apoyo del cigüeñal, el más alejado del volante motor, se ha conseguido una reducción del 1% del consumo de combustible.

6. Distribución variable eléctrica

Estos sistemas permiten sincronizar las válvulas para adaptarse a todas las condiciones de uso del motor. A diferencia de los hidráulicos, los árboles de levas con accionamiento eléctrico permiten ajustar el tiempo de las válvulas cuando el motor está parado. Durante una secuencia de inicio/parada o cuando el vehículo circula por inercia (sailing), este sistema puede preparar el motor de combustión por adelantado para su posterior reinicio. Gracias a ello, se requiere de menos par, fricción y desgaste. Otros beneficios del actuador eléctrico del árbol de levas son: un rango de temperaturas de uso más elevado, actuaciones más rápidas y precisas, y disminución de la carga de trabajo de la bomba de aceite. Gracias a todo ello, se consigue una reducción de los consumos y emisiones de un 2%.

7. Compresión variable

Schaeffler está trabajando en sistemas de compresión variable electromecánicos, a los que puede aplicar toda su experiencia en la distribución variable. Variar el ratio de compresión tiene un impacto directo en la combustión y, por lo tanto, en el consumo y las emisiones; y es una de las pocas funciones del motor que aún no se ha hecho variable. La relación de compresión clásica conduce a un conflicto de intereses, para lograr un compromiso de eficiencia en carga parcial y completa. Y ese compromiso puede, en muchos casos, no ser suficiente para superar las nuevas normativas de emisiones.

8. Desconexión de cilindros

Los motores de tres y cuatro cilindros también pueden beneficiarse de esta funcionalidad, que ayuda a reducir las emisiones de CO₂. El eRocker es un sistema electromecánico de sencilla integración que permite la desconexión selectiva de cilindros para reducir los consumos y emisiones. Schaeffler también ha desarrollado volantes bimasa y embragues con péndulos centrífugos para mitigar las vibraciones torsionales que produce la desconexión de cilindros.

9. E-Clutch o embrague electrónico

El 43% de los coches que se venden en el mundo disponen de un cambio manual y aunque su cuota de mercado va a la baja, su número absoluto seguirá creciendo (en 2016 se produjeron 40 millones de cajas manuales). Tienen a su favor su bajo coste, pero en eficiencia ya se han visto superadas por las modernas cajas automáticas o automatizadas. Para aprovechar las oportunidades que ofrecen las nuevas tecnologías en la reducción de consumo de combustible y CO₂, es necesario automatizar el embrague de las transmisiones manuales. Gracias a ello se podrán efectuar estrategias de ahorro como el “coasting” (circular por inercia con el motor apagado), o recuperar energía en deceleraciones y frenadas gracias a un sistema de hibridación de nivel 0 o 1. Entre ambas se puede lograr una reducción del 8%.

10. Combustibles alternativos

Los combustibles alternativos ofrecen un enfoque adicional, que va más allá del diseño del motor para reducir las emisiones. El gas natural ya está disponible y alrededor de un 25% menos de CO₂ que la gasolina convencional. Y a medio y largo plazo será posible sintetizar gas metano en un proceso PtG. Los motores diésel no se quedarán atrás y también se investiga en combustibles sintéticos basados en un proceso PtL (power to liquid). Si la energía primaria requerida durante su generación también proviene de fuentes renovables, como la energía eólica o fotovoltaica, combustibles pueden considerarse como de emisiones neutras de CO₂.