Uso Eficiente de la Energía en el Transporte de Cargas y Pasajeros Parte 4

Ministro de Desarrollo Social y Medio Ambiente Secretaría de Desarrollo Sustentable y Política Ambiental

PROYECCIONES Y
OPCIONES TÉCNICAS DE
USO EFICIENTE DE LA
ENERGÍA EN EL TRANSPORTE
DE CARGAS Y PASAJEROS

CAPÍTULO II: OPCIONES TÉCNICAS DISPONIBLES Y DISPONIBILIDAD FUTURA EN LOS MEDIOS DE TRANSPORTE EN ARGENTINA

1. Introducción

Como se demostró en el Capítulo I de ese documento el transporte carretero en Argentina, absorbe casi 90% el del consumo energético de ese sector y es responsable a su vez de una parte sustancial de las emisiones de gases de efecto invernadero del mismo.

Por esta razón el análisis de las opciones técnicas disponibles y futuras se circunscribirá a las utilizadas y utilizables en el modo carretero.

Esencialmente se trata de motores de combustión interna, de ciclo Otto y Ciclo Diesel que empleancomo combustibles: Motonaftas (MN), Diesel Oil (GO) y Gas Natural Comprimido (GNC).

En cuanto a las posibilidades de opciones técnicas futuras alternativas se mencionará a los vehículos eléctricos, vehículos a hidrógeno y al Motor Wankel, analizados desde el punto de vista de su utilización a escala comercial en Argentina hasta el año 2012.

También se presentará el empleo de Gas Licuado de Petróleo (GLP).
Como conclusión se indicarán las opciones de aplicación concreta al parque automotor argentino dentro del período de proyección estimado en este estudio.

2. Los Motores de Combustión Interna

La totalidad de los automóviles de uso particular, taxis y similares, utilitarios de pequeño porte (camionetas, furgones) y minibuses, emplean motonaftas, gas oil o GNC.
La totalidad de los Omnibuses y utilitarios de gran porte y prácticamente la totalidad de los colectivos emplean gas oil.
Es decir que el Parque Automotor argentino utiliza motores de combustión interna.

2.1. Generalidades

Los Motores de Combustión Interna también llamados de explosión, porque en ellos “explota” el combustible, utilizan motonaftas o gasoil.

Cuando se usa motonafta, el combustible pasa del tanque al carburador. Allí se pulveriza y mezclado con el aire, ingresa a los cilindros, donde explota gracias a una chispa eléctrica.

(Pero en los automotores más modernos la alimentación se realiza mediante un inyector a través del cual pasa a un tubo de aspiración, al colector de admisión, o va directamente a los cilindros).

En los motores diesel se usa el gas oil y en este caso no es necesario ni el carburador ni el sistema de encendido.

A los cilindros sólo entra aire y luego directamente gas oil que se quema sin necesidad de chispa.

Al principio estos motores diesel se empleaban en vehículos pesados de carga y de pasajeros, pero actualmente, se utilizan crecientemente en los automóviles.

En la jerga automotor, suele denominarse de Combustión Interna a los automotores diesel y de Explosión a los que emplean motonaftas.

En los automóviles los motores mas empleados son los de cuatro, seis y ocho cilindros y según su disposición se los clasifica en motores: en línea, en V y con cilindros horizontales y opuestos.

El número de cilindros está relacionado con la “cilindrada”. Así hasta 800 c.c. pueden ser de 2 cilindros, hasta 2000 c.c. de cuatro, hasta 3500 c.c de seis y luego de ocho.

2.2. Los avances técnicos en los Motores que utilizan motonaftas

Conservando las características del ciclo termodinámico OTTO, se han efectuado desde hace varias décadas, pero en forma más masiva en las del 80´y el 90´, una serie de modificaciones técnicas.

El objetivo de las mismas ha sido, esencialmente, disminuir los consumos específicos de combustible (lt/100km) y morigerar la emisión de gases de efecto invernadero por los caños de escape.

El ciclo termodinámico limita el rendimiento que puede proporcionar el motor.

Es que de las calorías que aportan las motonaftas, sólo el 16% queda para convertirse en trabajo mecánico.

Las pérdidas se producen en la refrigeración, el escape de gases, la resistencia al rozamiento, en el ventilador, en la generación de electricidad, en el filtro de aire, en la transmisión, en el puente trasero, en los neumáticos, etc.

Los esfuerzos técnicos han procurado mejorar la performance dentro de los límites termodinámicos.

Para ellos se han producido avances en:

• la refrigeración
• los sistemas de inyección y carburación
• la alimentación de combustible
• el aire de admisión
• el encendido
• los cambios de marchas
• la aerodinámica
• los convertidores catalíticos

i) La refrigeración por aire:

Utilizando este sistema se pierde menos calor que cuando se emplea agua, pero se producen más ruidos, el enfriamiento es más irregular y baja la potencia del motor por ser menor el llenado de la mezcla aire/combustible al aumentar la temperatura en los cilindros.

ii) La inyección y la carburación:

La inyección de combustible está desplazando a los carburadores, pese al perfeccionamiento enorme de estos (por ejemplo carburadores de doble y cuádruple cuerpo).
El objetivo de la inyección de motonaftas es hacer llegar a cada cilindro la cantidad exactamente necesaria en cada momento.

La adopción de la inyección se había demorado por el alto precio del equipo que requiere materiales de alta calidad y precisión.

Los motores de mediano rendimiento usan inyección monopunto, que es más económica, ya que requiere de un solo inyector al principio de la admisión. Una vez pulverizado el combustible las válvulas y el pistón dosifican la mezcla a la entrada de los cilindros .

El sistema multipunto requiere un inyector en cada cilindro.

La inyección puede ser directa o indirecta.

La inyección indirecta, requiere menos presión de admisión, en más barata, diluye menos el aceite y tiene menos rendimiento que la directa.

Para dosificar las proporciones de aire y motonaftas en necesario tener en cuenta los distintos factores que influyen en dicha dosificación, entre las principales por ejemplo: la temperatura de refrigeración y la presión atmosférica existente.

Para tener en cuenta todos esos factores se incorporan detectores de los mismos que comandan el funcionamiento de la bomba inyectora. Esto se hace con la inyección electrónica que al gobernar todos estos factores aumenta la potencia, disminuye el consumo de combustible y posibilita la menor emisión de contaminantes. Todo respecto del uso del carburador tradicional.

Las ventajas de la inyección son varias y pueden citarse las siguientes:

• Como con la inyección sólo pasa aire por los conductos, a diferencia de los carburadores, los colectores pueden tener el tamaño que más convenga
• El llenado de los cilindros es mas completo
• Si la inyección es directa se puede elevar la relación de compresión utilizable para un mismo combustible en un 20 a 30%, con el consiguiente incremento de la potencia y ahorro de combustible
• La dosificación del combustible a cada cilindro puede ser más exacta e igual para todos y aumentar así el rendimiento
• Las aceleraciones y desaceleraciones son muy rápidas y la cantidad de naftas inyectadas varía sustancialmente con la posición del acelerador
• Se ahorra combustible, pues al levantar el pie del acelerador se corta totalmente el suministro, cosa que no ocurre con los carburadores
• El funcionamiento del motor es mucho más elástico y suave

En síntesis, para el mismo motor, con la inyección se consigue más potencia, más elasticidad y hasta un 10% menos de consumo.
Las desventajas iniciales de la inyección, como el alto precio y mayor recalentamiento se han ido reduciendo, entre otras razones por la producción en serie y el perfeccionamiento que da el uso.

iii) La sobrealimentación

Bajar el consumo de energía y mitigar la contaminación impulsaron los avances tecnológicos en la plantas motrices de los automotores, que entre otras cosas condujeron a la introducción del turbocompresor, imprescindible en los diesel y cada vez más aplicado en los vehículos a motonaftas.

El compresor, es una bomba que toma aire de la atmósfera y lo comprime para obligar al motor a quemar más combustible por cada ciclo. Con este procedimiento el motor se “sobrealimenta”.

Con la sobrealimentación mejora la combustión del motor (se llenan más de aire los cilindros), aumenta la potencia, es menor el consumo específico y menor la contaminación. Esta sobrealimentación la aporta un compresor.

Los motores térmicos, al trabajar a plena potencia no pueden ser alimentados con una mezcla de aire/combustible estequiométrica, pues los materiales no resistirían las temperaturas desarrolladas.

Por eso los motores a nafta bajan esa temperatura con un exceso de nafta y los motores diesel con un exceso de aire.

Esto implica que los motores diesel tengan consumos específicos menores que los a nafta, pero el exceso de aire exige mayores tamaños para obtener la potencia deseada.

En los Diesel, el turbocompresor, permite el exceso de aire quemando la mayor parte del combustible, eliminando los humos y obteniendo gran potencia.

Pero como un compresor clásico absorbe parte del incremento de potencia obtenida, se recurrió al turbocompresor aprovechando la energía desperdiciada en el caño de escape, instalando para ello una turbina en el escape. Además el turbocompresor es poco sensible a las diferencias de altura.

En síntesis las ventajas del turbocompresor son:

• La mayor potencia desarrollada por el incremento en el volumen de aire que hace posible una combustión más completa
• Eliminación de la producción de humos
• Mayor vida útil del motor

iv) En el intercooler

Al enfriar el aire de admisión, le aumenta la densidad y mejora la combustión en los cilindros.
Es conveniente incorporarlo junto con la inyección electrónica.

v) El encendido trasitorizado y el electrónico integral

A medida que aumenta la compresión y las revoluciones por minuto (rpm) del motor y a poco que se desregulen el ruptor o las bujías se producen fallas a alta velocidad, con perdida de potencia y aumento del consumo.
Para remediar esto se aplican los transitores al encendido y se mantiene casi constante la tensión para la chispa de las bujías que así duran más (esto se llama encendido transitorizado).

Puede producir una economía al consumo entre el 5 y 10%. Hay encendidos trasitorizados con y sin ruptor (donde van los “platinos”).

El encendido electrónico integral produce chispa en la bujía en el momento oportuno. Es de similar calidad al encendido transitorizado, y a diferencia de este carece de elementos sometido a desgaste (sin contactos ni rozamientos, suprime los contrapesos y no se desgasta) . Si bien el costo es algo mayor, el mayor rendimiento en gasolina y la mayor duración, compensan frente al transitorizado.

vi) Las cajas automáticas

Su objetivo es obtener siempre la máxima potencia posible al cambiar las rpm y produci cambios suaves en la marcha del motor.

Pero, en los sistemas hidráulicos, se requieren motores con mucha potencia, como son los de USA. Este sistema incrementa el consumo de combustible, requiere alto porcentaje para atender la alta relación de compresión, de los motores de los que se saca potencia suplementaria.

No tienen embrague a pedal y sólo acelerador y freno.

Para conseguir el mismo efecto, pero gastando menos combustible se han aplicado innovaciones como el sistema hydramatic.

Agregando un embrague de disco seco, se elimina el acoplamiento hidráulico (pero no el mando hidráulico) y se reduce el exceso de combustible anotado antes (para refrigerar el fluído hidráulico).

Los camiones y buses también la emplean.

En definitiva hoy las cajas automáticas de cambios no implican necesariamente mayor consumo y es mejor la marcha.

vii) Cambios en la aerodinámica de los automotores

Las nuevas formas que presentan los vehículos tratan de contrarrestar, en la medida de lo posible, la resistencia que el aire ofrece al desplazamiento de los automotores. Es que resta casi el 60% de la energía y potencia del motor, y con un aumento en el 10% de la velocidad se incrementa casi en un 50% la resistencia que ofrece el aire.

viii) Los convertidores catalíticos

Como resultado de la combustión interna de un motor de gasolina, los gases de escape contienen:

– N₂

– CO₂

– Vapor de H₂O

Pero también si no funcionan bien:

– CO

– HC (si la mezcla es rica en combustible)

– NO (si la mezcla es pobre)

– Pb (si el combustible tiene agregado de compuestos de plomo)

Los catalizadores reducen en más del 75% los gases inconvenientes.

Los gases salen a alta temperatura y calientan a 400 – 700 ºC el catalizador.

Su eficacia depende de la constancia en la relación aire/combustible.

Hay distintos tipos de catalizadores:
– los oxidantes: que convierten el CO y los HC en CO₂ y agua
– los de dos vías: (doble catalizador). El primero reduce el NOx y el segundo el CO y los HC
– los de tres vías: son los mas caros y posiblemente los más usados, pues reducen al mismo tiempo el CO, los HC y los NOx
Su mejor performance se da cuando trabajan con 14.7kgr. de aire por kgr de motonaftas.
Para lograr esa mezcla se requiere incorporar una sonda lambda, no utilizar motonaftas con plomo (que envenenan el catalizador) y manejar el vehículo adecuadamente.

ix) Otros aspectos

Las características de conducción, esto es la marcha regular, sin aceleraciones bruscas, adecuado mantenimiento, neumáticos y frenos en buen estado, son sumamente importantes para mejorar el rendimiento y con ello disminuir las emisiones de gases.

x) La calidad de los combustibles

La calidad de los combustibles es muy importante en cuanto puede afectar la potencia a desarrollar por el vehículo y la cantidad y tipo de emisiones.
En primer lugar deberá controlarse estrictamente que las motonaftas que se venden no sean adulteradas (uso de cortes de solventes, mezclas común-especial, humedad, suciedad, etc.).
Adicionalmente las especificaciones de las motonaftas deberían ser más concretas y adecuadas para impedir o disminuir los efectos ya señalados.

Por ejemplo si no se especifican como corresponde:

– La relación RON/MON (ya que altos valores provocarían combustión incompleta con
mayor producción de CO y HC)
– La tensión de vapor: (si es muy alta provocará evaporación y emisión de volátiles)
– Contenido de olefinas: (si son altas el mismo efecto que la tensión de vapor)
– Contenido de aromáticos: (si son altos emiten más benceno)
– Densidad: (que no suele especificarse) si es amplio el rango se incrementa el CO por defecto del aire y aumentan los NOx. La densidad afecta el comportamiento de la bomba inyectora en vehículos que no tienen control electrónico. En los que lo tienen el mismo dosifica adecuadamente la relación aire-combustible.

xi) En síntesis se han logrado progresos en los motores a nafta actuando sobre los aspectos siguientes:

– En la combustión: con válvulas múltiples; con intercooling (en motores con inyección electrónica); con inyección electrónica actuando sobre la ignición.
– En los gases de escape: con los convertidores catalíticos; los catalizadores de oxidación y reciclaje de los gases de escape.

En cuanto a los consumos específicos de combustible se analiza la performance real de los vehículos en circulación, en áreas urbanas y en rutas a 90 km/hora y 120 km/hora.

Para los automotores nafteros del futuro se quiere bajar el consumo de los automóviles de los 8lt de los principios de 1990 a casi 5.0lt, sin incrementar el kilometraje recorrido y a fin de alcanzar las metas de emisión de gases de efecto invernadero.

El potencial para bajar los consumos debe partir de la baja eficiencia del motor, que debido a todas las pérdidas mencionadas, es de apenas el 10% en marcha urbana y del 20% en marcha mixta (urbana-rura).

Las medidas posibles de tomar en motores a nafta, como ya se señaló, serían:

– Utilización de multiválvulas (por ejemplo cuatro) ya que muchos automotores continúan empleando dos válvulas, y esto no permite obtener una mayor potencia
– Aumentar la carrera del émbolo en los cilindros
– Incrementar la relación de compresión promedio
– Recircular los gases de escape para permitir el uso óptimo de los convertidores catalíticos de tres vías
– Optimizar la inyección, ignición y recirculación de gases mediante el control electrónico
– Colocar control lamba en los convertidores catalíticos.
Con este tipo de medidas, mas la conducción, mantenimiento y aerodinámica se podría bajar en un 30% el consumo específico de los automotores a nafta hasta el promedio de 5.0lt/100km.

2.3 Características de los Modelos de automotores a nafta que se producen y circulan en Argentina a fines de los años 90

En la planilla Nº 1 se incluye a las principales marcas de autos nacionales.
En la planilla Nº 2 la principales marcas de autos importados.
En la planilla Nº 3 a la principales marcas de vehículos Todo Terreno importados.
En la planilla Nº 4 a las principales marcas de utilitarios nacionales de categoría menor a 2 Tn.
En la planilla Nº 5 se detallan las principales marcas de utilitarios importados de categoría menor a las
2 Tn.
En la planilla Nº 6 se incluyen los Minibuses.

i) Autos Nacionales con Motor a Nafta

Se seleccionaron 18 Tipos pertenecientes a 5 Marcas
– El Consumo Promedio (ruta-urbano) ponderado por la producción llega a 8.25 lt/100km.
– En cuanto a los Sistemas de Alimentación siempre respecto a los tipos de vehículos producidos en
1997, de distribuye del modo siguiente:

• Carburador (C): 22%
• Inyección Electrónica Monopunto (IEM): 16%
• Inyección Electrónica Multipunto (IEMP): 56%
• Inyección Electrónica (IE): 6%

Como puede apreciarse predomina la Inyección Electrónica y dentro de ella la Multipunto.

– Los Sistemas de Transmisión son en su totalidad manuales
– La Potencia prevaleciente es la de 70 a 80 CV.

ii) Autos importados con motor a nafta

Se seleccionaron 50 Tipos pertenecientes a 20 Marcas de USA, Europa y Japón.

– El Consumo Promedio (ruta-urbano) es de 10.2lt/100km con mínimos de 6.1 y máximo de 16.6.
– Los Sistemas de Alimentación:
La totalidad de los vehículos poseen inyección electrónica multipunto y el 8% incorpora turbocompresor e intercooler.
– Los Sistemas de Transmisión automática opcional se presentan en el 63% de los vehículos, mientras que en los restantes se ofrecen solamente la forma manual.
– La Potencia que prevalece es la mayor a los 100 (CV).

iii) Vehículos Todo Terreno con motor a Nafta

Se seleccionaron 27 Tipos de 12 Marcas

– El Consumo Promedio (ruta-urbano) es de 11.1lt/100km
– Los Sistemas de Alimentación son en casi su totalidad de Inyección Electrónica Multipunto.
– Los Sistemas de Transmisión, en un 50% de los vehículos ofrecen la opción de caja automática.
– La Potencia que prevalece es la que abarca el rango de 110 a 190 CV, con casi un 20% que supera
los 200 CV.

iv) Los Utilitarios Nacionales con capacidad menor a 2Tn y motor a nafta

Se han seleccionado 6 Tipos de tres Marcas.

– Los Consumos Promedio (ruta-urbano) se sitúan en los 12.9lt/100km.
– Los Sistemas de Alimentación, son en un 84% a Inyección Electrónica Multipunto y el resto con
carburador.
– Los Sistemas de Transmisión son manuales en todos los casos.
– La Potencia es en todos los casos superior a los 90 CV.

v) Los Utilitarios Importados con capacidad menor a 2 Tn y motor a nafta

Se incluye a 6 Tipos correspondientes a 4 Marcas.

– El Consumo Promedio (ruta-urbano) es de 10.1lt/100km
– Los Sistemas de Alimentación son en un 84% a Inyección Electrónica Multipunto y el resto emplea
carburador.
– Los Sistemas de Transmisión son manuales en todos los casos.
– La Potencia es bastante variable y oscila entre 38 CV y 205 CV.

Conviene mencionar que la tendencia en los vehículos utilitarios importados es al motor diesel.

vi) Los Minubuses con motor a nafta

En general los vehículos para el transporte de pasajeros en rangos de 7 a 10 personas, denominados minibuses, también se inclinan hacia el motor diesel.
En el análisis se seleccionaron tres Tipos de Marcas.

– El Consumo Promedio (ruta-urbano), detectado en un solo caso, llegaba a los 16.5lt/100km.
– El Sistema de Alimentación en un caso era con Inyección Electrónica Multipunto y los dos restantes empleaban carburador.
– La Potencia, salvo el Viano de Mercedes Benz, no superaba los 40 CV.

PLANILLAS CON INFORMACION SOBRE LAS DISTINTAS CATEGORÍAS DE VEHÍCULOS CON MOTORES A NAFTA

Fuentes:
– “Mega Autos” Revista Argentina de Publicación Bimestral, Año 6 Nº 21, junio-julio 1999.
– “Parabrisas” Revista Argentina, edición especial Nº 4 Año 1999.
– “Auto Test”, Motor Press Argentina, Nº 106, agosto 1999.
– “Transporte Mundial” Publicación semestral Nº 1 de 1999.
– “Sólo Camión”, Revista Española, febrero de 1999.
– “Prensa Automotríz”, Revista Argentina, septiembre de 1998
– “Auto vía”, Revista Española, Nº 107, marzo de 1999

Siglas:
Alimentación:

C: Carburador
IE: Inyección Electrónica
IEM: Inyección Electrónica Monopunto
IEMP: Inyección Electrónica Multipunto
T: Turbocompresor
I: Intercooler
Transmisión:
M: Manual
A: Automática
M/A: Opción Manual o Automática