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Motores y Bombas |
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| 1. Algunos hechos | 2. Orígenes de las energías utilizables en un vehículo | 3. Arquitectura híbrida | 4. Especificaciones |
La mayoría de los vehículos terrestres son movidas por motores a combustión interna, cuyos 2 representantes principales son el motor a gas (motor “gasolina”) y el motor a combustión espontánea (motor “Diesel”). Estos 2 tipos de motores se desarrollaron principalmente durante el XX siglo gracias a la extracción masiva de hidrocarburos a bajo coste. Hoy día, se señala técnicamente cada vez menos la diferencia entre “Diesel” y “gasolina”.
El éxito que conocieron estas 2 tecnologías se debe en gran parte de combustibles que utilizan. Los hidrocarburos son en efecto fácilmente transportables y transvasables bajo forma líquida. Además, gracias el dioxígeno presente por todas partes en la atmósfera, la energía química de la masa que pueden liberar es muy grandes con relación a la de otras fuentes, lo que obtiene gran autonomía al vehículo. Por otra parte, esta energía química es fácilmente explotable por combustión con el oxígeno del aire. Los gases bajo presión así creados ejercen las presiónes mecánicas sobre partes cuyo movimiento se transforma generalmente en movimiento de rotación continua por una cadena cinemática.
No obstante, el éxito de los motores a combustión interna, si está aún bien presente, se sopla por las siguientes razones:
* agotamiento a medio plazo de las reservas de hidrocarburos (de 30 a 100 años según las estimaciones)
* impuestos extremadamente importantes (alrededor del 250%) de los combustibles
* contaminación atmosférica generada, principalmente por los óxidos nitrosos y de carbono
Algunos comentarios son necesarios para matizar lo que precede:
*
Apartado 1
El agotamiento de las reservas de petróleo no significa sin embargo la muerte de los motores a combustión interna. Por las razones mencionadas más arriba, esta fuente de energía sigue siendo aún indispensable para un vehículo en cuanto a su autonomía: las otras fuentes de energía actualmente conocidas y potencialmente implantables sobre un vehículo, que ahora se estudian desde hace varios años, o incluso decenas de años (eléctrico, hidráulico, neumático, pila a hidrógeno, eólica, solar…), obtienen autonomía al vehículo de cerca de 200 km en el mejor de los casos, debido a una insuficiente energía de la masa del “combustible”. La energía nuclear, utilizada sobre los submarinos y portaviones, no es posible para un automóvil ya que requiere grandes volúmenes muy para los dispositivos de intercambios térmicos entre “agua caliente irradiada” y “agua fría no irradiada”, así como recintos antiradiación. Además, la radiactividad plantea grandes problemas en caso de accidente que rompe el reactor.
En cuanto a las fuentes de energía no embarcadas sobre el vehículo como las energías solares o eólicos, cada uno convendrá que son demasiado aleatorias para un vehículo terrestre, aunque sean seductoras a nivel ecológico. Su rendimiento es también muy escaso (en general menos del 20%).
Por fin, indican que incluso en ausencia de reservas fósiles de hidrocarburos, el hombre es capaz de fabricar de la manera más ecológica que sea: a partir del cultivo de colza, puede obtener diesters utilizados sobre los vehículos de competición como la Peugeot 406 “Pique” y “Coeur” que obtiene resultados muy honorables (alrededor 170 Ch). Por fin, se saben fabricar industrialmente grandes cantidades de alcohol, y algunos fabricantes estudiaron la posibilidad de utilizarlo como combustible, propio para vehículos codiciosos en combustible (Ford Taurus, motores Renault “flex” en Brasil…), a partir del cultivo de pata a azúcar o con ayuda del método:
Los impuestos del combustible por los Estados de los países industrializados representan una cesta financiera enorme. Se puede simplemente indicar que la justificación de esta imposición por razones ecológicas no tiene absolutamente. Los hidrocarburos se gravan simplemente porque representan un 90% de la energía utilizada por los vehículos, lo que permite automáticamente grandes regresos de dinero.
En Francia, un experto en combustión Diesel no puede sino sonréir de la escasa imposición del gasóleo en los años 80, mientras que los motores de este tiempo eran muy contaminantes, y de la reciente subida de los impuestos sobre este mismo combustible por razones se supone que ecológicas, mientras que los motores diesel modernos se volvieron menos contaminantes que los motores gasolina, gracias a la inyección directa alta presión y a los filtros a partículas cuyo empleo desgraciadamente aún no se generaliza. ¿Qué pasó en 25 años? Mientras que en los años 80, el parque automovilístico estaba constituido mayoritariamente por motores gasolina, se gravaba en masa la gasolina. Hoy día, los informes se invirtieron puesto que alrededor de 2 nuevos coches vendidos sobre 3 son Diesel y que el transporte por carretera con ayuda de camiones diesel estalló. Desde un punto de vista puramente fiscal, pues fue necesario modificar la base de imposición de los combustibles orientándolo sobre el Diesel. Hoy día, en Francia, se constata incluso la alineación progresiva del litro de Gasóleo sobre el litro de Super SP (sin la delantera), lo que es extraordinario cuando se conoce la diferencia de refinado entre los dos tipos de hidrocarburo.
Para resumirnos, cualquiera que sea la fuente de energía en cuestión, es la que mayoritariamente se utiliza en un momento dado que se sobretasa independientemente de cualquier otra consideración. Los impuestos de los hidrocarburos no son pues de verdad un peligro para los motores a combustión interna ya que si otra fuente de energía se generaliza, es ella que se sobretasará, por lo tanto penalizada, y esto en favor de los hidrocarburos.
* Apartado 3
El apartado 3 es con mucho el más importante. La contaminación atmosférica generada por los motores a combustión interna no es en efecto cuestionable y es el principal argumento admisible que pone en cuestión el futuro del motor a combustión interno tal como se lo conoce hoy.
Esta contaminación tiene un doble impacto:
impacto en la salud de la
población
impacto en el planeta Tierra
Se debe al dióxido de carbono CO2 que es un gas de efecto invernadero. Desde hace poco tiempo, un consenso comienza a alcanzarse en los meteorólogos y científicos sobre los siguientes hechos:
1. Existe completamente un recalentamiento climático del planeta desde hace alrededor de 1 siglo.
2. Este recalentamiento es anormal por la velocidad a la cual se produce, 100 años siendo una duración extremadamente corta a escala temporal los cambios climáticos “normales” del planeta.
3. Este recalentamiento es de sobra imputable a la actividad humana que liberó millones de toneladas de CO2 en la atmósfera explotando energías fósiles como los hidrocarburos y el carbón
.
Precisan aquí algunos puntos. La contaminación de un vehículo móvil sobre carretera retirada, a paso prácticamente constante, a un régimen motriz conveniente, es decir, el dónde el rendimiento termodinámico del motor es óptimo, es aceptable : por una parte, se tendrán los consumos más escasos para el automóvil, por otra parte, el volumen de gas de escape rechazado por km se es escaso en la medida en que el paso del coche es conveniente (más de 50 km/h), lo que significa que el aire no es viciado notablemente por el paso del coche. Por fin, la concentración de población sobre tales carreteras es escasa, lo que significa que las pocas personas respirarán el aire viciado, y que, aunque lo respiraban, esto no sería dramático para su salud ya que demasiado no se contaminaría.
En cambio, la contaminación de un vehículo en un medio urbano es inaceptable por 2 razones principales:
* Es extremadamente importante debido a la combinación de varios factores:
- Disminuciones, sinónimos de aceleraciones y frenados frecuentes y de pérdidas por efecto Joule: hay consumo excesivo de combustible, por lo tanto sobrecontaminación.
- Los motores vuelven en la cámara lenta con un vehículo prácticamente inmóvil: no sólo los motores no tienen un rendimiento termodinámico óptimo, sino que además funcionan “para nada” ya que el vehículo hace el in situ.
En este punto de nuestro análisis, los motores aparecen como una invención necesaria para desplazarse, ya que la energía que utilizan es fácil de explotar, pero terriblemente contaminante, en particular, en ciudad. ¿Es necesario sin embargo despreciar esta tecnología? En realidad, los motores a combustión interna son víctimas de la utilización aberrante que la sociedad hacen, lo que es el resultado de fenómenos complejos de acoplamientos politicoeconómicos y sociales.
Al igual que un lápiz es muy útil para escribir y muy peligroso si se lo establece en el ojo de su vecino, los motores a combustión interna son muy útil para desplazarse, pero peligrosa si se utilizan mal, lo que es el caso desgraciadamente. Su método de funcionamiento es en efecto completamente inadecuado a la utilización que se hace sobre trayectos urbanos:
* El coche consume combustible mismo al paro, lo que representa un 30% del tiempo de un trayecto en ciudad: es un absurdo tanto económico como ecológico.
* La potencia disponible, incluso para un coche de escasa cilindrada (las “ciudadanas”), es desproporcionada con relación a las necesidades reales de un trayecto urbano: por ello fuera de los períodos de paro, las limitaciones de velocidad y los tapónes hacen que el vehículo utiliza raramente más de un 50% de sus recursos (Véase fig. 1.).
15 a 30 Ch bastan de sobra a lanzar un vehículo de 0 a 50 km/h en un tiempo relativamente corto, como lo muestra el teorema de la energía cinética :
dónde m designa la masa del vehículo (1000 kg), Vmax su velocidad una vez lanzado (50 km/h), V0 su velocidad inicial (0 km/h), P la el poder entregada por el motor (20 Ch o sea 14.3 kW) y Dt el tiempo necesario para pasar de V0 a Vmax.
En este cálculo, se descuidaron todas las fricciones de resistencia al desarrollo del vehículo (neumáticos, transmisiones imperfectas…) y la fuerza aerodinámica, esto siendo legítimo por debajo de 50 km/h.
¡Para concluir, el motor a combustión interno no es dañino, sino el uso que se hace el este enormemente! ¿Es necesario cambiar radicalmente la forma en que se lo utiliza, pero cómo?
Todo lo que precede muestra la necesidad de agregar a los motores a combustión interna una o varias fuentes de energía mecánica cuyo diferente funcionamiento permitiría menor contaminar durante trayectos urbanos, o incluso ya de no contaminar del conjunto. En particular al paro, el ideal sería no consumir ninguna energía, lo que es muy lógico y sólo es desgraciadamente evidente más que para demasiado pocas personas. Todo esto nos conduce a la concepción de un motor híbrido que combina varias fuentes de energía y que utiliza juiciosamente cada una de entre ellas en función de las tensiones a las cuales se lo somete.
Acabamos de enunciar aquí una idea principal
de la problemática de concepción. ¡El
ejemplo más conocido es el motor híbrido
térmico/eléctrico que solos algunos muy raros
fabricantes japoneses como Honda o Toyota llegaron a industrializar
recientemente, aunque la idea data de más de 50
años! (Véase Fig. 2.)
Arquitectura
del grupo motopropulsor híbrido de grupo del Honda
IMA (Integrated Motor
Assist) :
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