tecnologías para el ahorro de combustible en vehículos
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Tecnologías para el ahorro
de combustible en vehículos
medianos y pesados que utilizan
motor Diésel
Introducción
Además de los motores a gasolina, existen los de Diésel, que siempre se han dejado en un
segundo plano. Estos son conocidos por ser capaces de entregar un par mucho mayor que los de
gasolina. Su uso está íntimamente relacionado con el transporte de grandes cantidades de carga;
este tipo de motores está presente en camiones, autobuses y hasta en algunos modelos de
vehículos ligeros.
También es posible encontrarlos en las plan-
tas de generación eléctrica, debido a las altas
eficiencias que ofrecen. El motor Diésel es,
en términos generales, más eficiente que el
de gasolina. Esto se debe a que las relaciones
de compresión en el primero son más altas
que en uno de gasolina.
Generalmente el motor Diésel se asocia a
precios más altos que el de gasolina, también
a pesos mucho mayores y a que son altamen-
te contaminantes.
Sin embargo, como consecuencia del desa-
rrollo de tecnologías mejoradas y los avances
de ingeniería, la diferencia entre ambos
motores se vuelve cada vez más impercepti-
ble. A continuación se presentan algunas de
las tecnologías que han permitido que estos
motores reduzcan sus índices de contamina-
ción e incrementen su rendimiento de com-
bustible.
Combustión de mezcla pobre
Una de las posibilidades que existen en un
motor Diésel es utilizar mezclas pobres de
combustible. Significa que por cada kg de
aire habrá mucha menor cantidad de com-
bustible presente en la mezcla aire-
combustible. Esto permite al motor ser más
eficiente, evitar la formación de humos
negros y lograr bajas toxicidades en los gases
de escape.
8/1 15/1 18/1
Relación de mezcla
Rica Estequiométrica Pobre
Imagen 1: Relación de mezcla aire-combustible para una mezcla rica,
estequiométrica y probre.
En un motor a gasolina no es posible aplicar
la idea anterior, ya que la chispa no podría
encender una mezcla pobre en combustible.
Por el contrario, si la mezcla es muy rica en
combustible, este no se quemará por com-
pleto.
Noviembre 2019
Muchos investigadores han demostrado
cifras muy notables en ahorro de combusti-
ble mediante el uso de la inyección directa de
este tipo de mezclas.
Investigadores como Stovel y Alkidas, experi-
mentaron mejoras en el ahorro de combusti-
ble de 3.7% para el ciclo de manejo U.S.
Highway y hasta 17.2% para el ciclo de manejo
de la ciudad de Nueva York utilizando este
tipo de mezcla aire-combustible.
Apagado en ralentí
Es importante que los motores Diésel no
pasen mucho tiempo en ralentí, pues gastan
combustible aun en un régimen de giro bajo.
Imagen 2: Camiones en ralentí consumiendo combustible y
contaminando.
Para evitar esto, existen sistemas de apagado
del motor cuando se detecta que han pasado
de 3 a 5 minutos en ralentí. El sistema apaga
el motor, dejando activos los demás dispositi-
vos eléctricos y accesorios hasta que se
apague adecuadamente el vehículo con la
llave.
Aun cuando exista este tipo de tecnologías,
es importante que los conductores sean
conscientes de que el motor debe mantener-
se apagado siempre que el camión esté en
reposo por cualquier situación.
Recuperación del calor de los
gases de escape
Los gases de escape, que siguen aún muy
calientes, se aprovechan para evaporar un
fluido de trabajo dentro de un ciclo cerrado
tipo Rankine. Este fluido evaporado se
conduce a una turbina donde se expande y la
hace girar; el giro de la turbina se aprovecha
como energía mecánica o como energía
eléctrica.
Para aprovechar el calor residual en forma de
energía mecánica, la turbina se conecta a un
cople hidráulico que compensa la diferencia
de revoluciones entre componentes.
Posteriormente, el par del acoplamiento
hidráulico se transmite al cigüeñal mediante
un tren de engranes, sumando así una impor-
tante cantidad de energía mecánica.
De manera más simple, si se desea aprove-
char el calor en energía eléctrica, la turbina se
acopla a un generador eléctrico. La energía
se almacena en baterías para ser utilizada en
accesorios eléctricos y electrónicos.
Después de que el fluido de trabajo se
expandió, se condensa para ser bombeado
nuevamente hasta la cámara, donde llegan
los gases de escape que vuelven a evaporarlo
mediante un intercambiador de calor.
Imagen 3: Diagrama de componentes para la recuperación de calor
residual.
Muchos investigadores como Eckerle, Ojeda
y Greszler, han reportado mejora en la efi-
ciencia de combustible de hasta 6%.
Recirculación de los gases de
escape
EGR (en inglés Exhaust Gas Recirculation) es
un proceso donde se realiza una toma de
gases de escape para mandarlos nuevamen-
te a la cámara de combustión mediante la
válvula de admisión. Esto genera que el
oxígeno de una carga fresca se diluya y el
calor generado en la combustión se absorba
con gases inertes como el dióxido de carbo-
no. Dado que las temperaturas de combus-
tión son menores utilizando la recirculación
de los gases de escape, se obtienen las
siguientes ventajas:
Ÿ Menor formación de monóxidos de nitró-
geno.
Ÿ Menores pérdidas térmicas en las superfi-
cies de la cámara de combustión.
Ÿ Se reducen las pérdidas de bombeo por-
que la mariposa puede abrirse más con el
EGR instalado.
EGR de baja presionRecirculación de los gases de escape a través de un circuito frío
Intercambiador de sobrealimentación
Motor
Gases de escape
Circuito EGR de alta presión
Compresor
Entrada de aire
Intercambiador
EGR
Válvula
EGR
Filtro de
partículas
Mariposa de escape
Escape
EGR de baja presionmenos emisiones nocivas y mejor rendimiento de combustión suponen menos Co2 emitido
Imagen 4: Sistema EGR de alta y baja presión.
El investigador Eckerle reportó 3% de mejora
en el consumo de combustible en 2011. Es
importante señalar que el EGR funciona de
manera óptima utilizando únicamente 15%
de los gases de escape, como lo concluyó
Harilal S. Sorathia’s en 2012, para que haya
una reducción de monóxido de nitrógeno
considerable sin afectar el desempeño del
motor.
Modulación del movimiento
temporizado de válvulas
En cualquier motor sucede que al darse la
carrera de trabajo, los gases de escape salen
por su respectiva válvula, pero al mismo
t i e m p o , u n a n u e v a c a r g a d e a i r e -
combustible entra por la válvula de admi-
sión. Al tener presiones más bajas que la
atmosférica dentro de la cámara, la expul-
sión de los gases de escape implica pérdidas
por bombeo.
En motores Diésel se modula el tiempo del
movimiento de la válvula de escape para
reducir las pérdidas que genera el bombeo
de los gases de escape. Esto se realiza en
función de las rpm de trabajo y la carga del
motor.
Imagen 5: Movimiento modulado de válvulas.
Se estima que al modular dicho tiempo,
produce 1.5% de mejoras en el consumo de
combustible (De Ojeda, 2011).
Incremento en los picos de
presión en cámaras de com-
bustión
La eficiencia térmica de un motor está en
función de la relación de compresión que
maneja. El desarrollo y mejora en el diseño de
la cabeza del cilindro, el pistón y la junta de la
culata permite que un motor pueda trabajar a
mayores relaciones de compresión.
Imagen 6: Diagrama Presión Volumen de motores Diésel.
Al incrementar la relación de compresión en
pequeña medida, se obtienen mejoras en el
consumo de combustible de 1 a 1.5%, según
autores como De Ojeda y Sisken (2012).
Fricción y pérdidas parásitas
Las partes del motor en las que se puede
concentrar el esfuerzo para disminuir la
fricción son, principalmente, los rodamien-
tos, pistones, anillos del pistón, válvulas y el
cigüeñal.
El pistón puede ser diseñado con faldas más
pequeñas y recubierto con materiales, como
óxidos de zirconio o aluminio, para reducir la
fricción durante su operación.
Otra aplicación de este tipo de recubrimien-
tos es en los elevadores de válvulas, ya que
existe la posibilidad de darles un recubri-
miento de diamante para disminuir la fric-
ción que presentan al rozar con las levas.
Los anillos del pistón pueden disminuir la
fricción que generan si son de baja tensión,
es decir, que generen menor presión sobre
las paredes del cilindro.
Se puede alcanzar mejoras de 2.2% en el
rendimiento de combustible, reduciendo la
fricción en todos los componentes mencio-
nados.
Llantas anchas con baja resis-
tencia al rodamiento
Estudios realizados en 2008 por Lascurain, en
el Laboratorio Nacional de Oak Ridge,
demostraron que utilizar una sola llanta más
ancha, en lugar de la doble llanta en camio-
nes de carga, asegura una mejora en el
rendimiento de combustible de entre 9% y
10%. Además, dicho porcentaje aumenta con
el peso del camión. Es importante señalar
que las llantas deben ser de baja resistencia
al rodamiento.
Imagen 7: Comparación del ancho en llantas para vehículos pesados.
Llanta doble
Llanta ancha
Bombas de aceite de despla-
zamiento variable
Diseñar bombas de aceite de desplazamien-
to variable permite que la potencia que
demandan las mismas se reduzca a la mitad
con respecto a las bombas de aceite simples.
La aplicación de este tipo de bombas tiene
importancia en camiones de pasajeros,
donde el consumo de combustible puede
reducirse hasta 2.2%, (Blaxill, 2009).
Imagen 8: Mecanismo que permite controlar el volumen desplazado
por la bomba de aceite.
Ventilador eléctrico de veloci-
dad variable
De acuerdo con un estudio de un vehículo
pesado de Hyundai, una tecnología capaz de
mejorar cerca del 10% el rendimiento de
combustible en motores Diésel, es el uso de
ventiladores eléctricos de velocidad variable.
El control de la velocidad de los ventiladores
y la capacidad de apagarlos por completo en
algunos momentos, permite que el consumo
de combustible sea menor que en los ventila-
dores que son impulsados por el mismo
motor.
Imagen 9: Ventilador impulsado por el propio motor.
Imágenes
Imagen 1 https://images.app.goo.gl/U3e5n45J2AEon8V aA
Imagen 2 https://images.app.goo.gl/ytG4KijKwyuxqdB A8
Imagen 3 https://images.app.goo.gl/ceSCSyqDi6Hf5Y7 N6
Imagen 4 https://images.app.goo.gl/Eb4G8nFtqRCuHo 319
Imagen 5 https://images.app.goo.gl/SFqNhQDp97fkiE9 17
Imagen 6 https://images.app.goo.gl/5TVUwoZjH9G1k mBb7
Imagen 7 https://images.app.goo.gl/JAapJcJeWidKdBtx 7
Imagen 8 https://images.app.goo.gl/fJH7qsgjSyRZWzS k8
Imagen 9 https://images.app.goo.gl/DTERMXDioT8zp LEc7
Mesografía
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Bibliografía
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◊ Sisken, K., Rotz, D., “Recovery Act – Class 8 Truck
Freight Efficiency Improvement Project,” DOE
Supertruck Merit Review, Department of Energy, 2012.
Av. Revolución 1877, Loreto, Alcaldía Álvaro Obrgón,
Ciudad de México. C.P. 01090,
Tel. (55) 3000 1000 Ext. 1202, 1211, 1214, 1215.
https://www.gob.mx/conuee
@CONUEE_mx / @Ctransp
CONUEE
Elaborado en la Dirección de Movilidad y Transporte
Colaborador: Daniel Quiroz Hernández