Uso Eficiente de la Energía en el Transporte de Cargas y Pasajeros Parte 5

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

2.4. 1. La participación de los motores Diesel en el Parque y Producción en Argentina

El motor diesel fue utilizado en un principio en motores estacionarios, en vehículos pesados (como camiones) y en los de transporte público de pasajeros, pero a partir de la década de los años 60 comenzó a emplearse también en los automóviles para uso personal.

La difusión ha sido mayor en Europa que en USA. En Argentina, entre otras cosas, la diferencia de precios con las motonaftas y los avances tecnológicos impulsaron también su penetración en los automóviles particulares.

Así en 1997, se estima que el Parque Automotor Diesel representa el 7.3% de los automóviles particulares, el 45% de los Taxis, el 56% de los utilitarios de menos de 2 Tn y el 100% de los colectivos, omnibuses y utilitarios de más de 2 Tn de capacidad, representando el 20% del parque automotor total del país.

En cuanto a la Producción Nacional se puede indicar los siguiente:

• Entre 1959 y 1992 el 3% de los automóviles, el 22% de los utilitarios hasta 2 Tn, el 84% de los utilitarios de mas de 2 Tn y el 100% de los vehículos de transporte de pasajeros tenían motor diesel
• En cambio entre 1993 y 1997 el 19% de los automóviles, el 60% de los utilitarios hasta 2 Tn y prácticamente el 100% de los utilitarios de más de 2 Tn y los vehículos de transporte de pasajeros estaban equipados con motor diesel.
  
  

2.4.2. Algunas características de los Motores Diesel (4)

i) Generalidades:

Los elementos que constituyen el motor diesel son parecidos a los que poseen los motores a explosión pero hay diferencias apreciables en el funcionamiento, además de las provenientes de los dos ciclos termodinámicos distintos.

Así los motores a explosión:

• Queman naftas
  Iintroducen una mezcla de aire y nafta pulverizada
• La inflamación es por chispa
• Tienen sistema de encendido
• La relación de compresión oscila entre 7 y 11
• Tienen carburador
• Explota toda la mezcla
• Algunos motores tienen sistemas de inyección
• Son de construcción “liviana”

En cambio los motores diesel:

• Queman gas oil
• Sólo aspiran aire puro
• El combustible se inflama por la compresión
• No tienen sistema de encendido
• La relación de compresión es alta, oscila entre 12 y 22
• No tienen carburador
• La combustión se realiza a medida que entra el gas oil
• Todos tienen sistemas de inyección
• Son de construcción “pesada”

El gas oil entra al cilindro, inyectado en el aire muy comprimido y a alta temperatura, y para eso se requiere su envío a presión elevada. Esto se consigue en forma de un pequeño chorro en un equipo de inyección.

Como se aspira el máximo de aire no tienen el inconveniente de las “mezclas pobres” de los motores a explosión.

El rendimiento de los motores diesel a la salida del cigüeñal llega casi al 34% frente al 24% de los a explosión. Es que no se pierde tanta energía en los gases de escape y en el sistema de refrigeración.

En muchos países a esa ventaja termodinámica, se une el menor precio de la caloría de gas oil respecto de las naftas, pero como contrapartida el costo del motor diesel es mayor. Esto obedece a que debe ser más pesado y robusto (tiene más peso por unidad de potencia), dado que está sometido a mayores presiones de trabajo y compresión. Además al requerir exceso de aire los cilindros son mayores y la bomba de inyección es más cara que el carburador.

Otra característica diferencial de los motores diesel es su mayor lentitud que los motores a nafta, o sea se mueven a menor número de revoluciones por minuto.

En cuanto al combustible, el gas oil, además de las características propias debe estar muy bien filtrado para evitar obstrucciones en la inyección y para generar menos hollín y humos negros en el caño de escape.

En síntesis el motor diesel tiene:

• alta compresión y por eso alto rendimiento, lo cual exige mayor peso y robustez constructiva
• un golpeteo que exige medidas suplementarias para que no sea muy ruidoso
• funciona a relativamente bajo número de revoluciones, por ejemplo 2000 en camiones y 4000 en
  autos
• el exceso de aire favorece una buena combustión y produce menos CO
• si no está bien regulada la inyección se producen humos y hollín
• tampoco elimina vapores fácilmente inflamables y es menor el peligro de incendio

ii) Los sistemas de combustión y los equipos de inyección (5)

Existen varios para mejor rendimiento, aumentar la potencia y la suavidad de marcha. En general subsisten todos los sistemas: la inyección directa, la pre combustión o ante cámara, la combustión separada y el acumulador de aire.
Los más usados son inyección directa que consumen menos combustible, y la combustión separada que tiene funcionamiento más suave.

El desarrollo de las bombas de inyección facilitó la difusión y aceptación del diesel.

Los inyectores deben asegurar la introducción, pulverización y distribución al gas oil en la cámara o pre cámara (según el tipo de motor).

De los tipos de inyectores se usa más el de orificios que el de espiga, pues reparten mejor el combustible aunque se obtura más fácilmente con carbonilla.

Las bombas de inyección rotativas son más adecuadas que las lineales pues tienen muy poco mantenimiento y son más aptas para los motores diesel rápidos de baja cilindrada.

También los inyectores especiales (tipo cummins) han reducido enormemente el peso, tamaño y números de piezas, mejorando además el rendimiento en uso del gas oil.

También se han producido mejoras en los filtros de gas oil, esenciales para eliminar suciedades del combustible y producir menos humos negros.

En consecuencia es esencial el mantenimiento de los filtros de las bombas o sistemas de inyección, así como un adecuado manejo de los vehículos para aumentar la duración del motor y el rendimiento y bajar las emisiones de humos negros.

Si existe defecto de aire se produce una combustión incompleta del gas oil que además se craquea.

Por ejemplo con sólo un 10% más de gas oil que lo requerido se generan humos negros y carbonilla.

2.4.3. Los avances técnicos en los Motores Diesel (6)

El objetivo de los avances técnicos para mejorar los motores diesel es doble, al igual que en el caso de los motores a nafta, bajar los consumos para ahorrar energía y reducir las emisiones de gases de escape.

La idea, en cuanto a los consumos, es reducir el de gas oil, del motor diesel en un 18% respecto del motor a nafta equivalente.

Las medidas a tomar en los motores diesel, en particular en los que accionan los automóviles serían:

• Pasar los motores que usan inyección directa a inyección electrónica controlada
• Recircular los gases de escape
• Variar la geometría de la turbina con control electrónico de inyección adicionando la de cuatro válvulas (que es bastante más cara)

i) En los vehículos diesel livianos (7)

Las mejoras deberían comenzar con el rediseño de los motores y de sus partes componentes:

• Introduciendo tres válvulas (que incrementa la potencia específica en un 20%; puede reducir las emisiones gaseosas entre un 10% y 40% y las de partículas en un 25%).
• Rediseñando las cámaras de combustión (con cámaras para turbulencia) y los equipos inyectores de diesel controlados electrónicamente
• Recirculando los gases de escape
• Mejorando la calidad del gas oil
• Introduciendo los convertidores catalíticos
• Incluyendo sobrealimentación turbo e ingreso de aire refrigerado (intercooling)

Con este tipo de medidas se reducirían las emisiones de gases contaminantes del modo siguiente:

• Las de CO no son un problema porque los diese trabajan con exceso de aire
• Las de CO2 (que dependen de la carga del motor) se reducen más con inyección directa que con indirecta (casi en un 15%)
• Las emisiones de NOx se favorecen por las altas temperaturas en partes del motor y el alto contenido de oxigeno (exceso de aire). Para disminuirlas se puede optimizar el inicio de la ignición electrónicamente y recircular los gases de escape
• Las emisiones de HC se reducen optimizando permanentemente la inyección con boquillas de ingreso del gas oil con el menor volumen de orificio posible y no calefaccionados, con alta presión al inicio del proceso y con alta compresión
• Las emisiones de partículas requieren el agregado de un separador tipo ciclónico, mientras que el hollín disminuye limitando la carga y bajando la performance de potencia.

El uso de catalizadores (por ejemplo de oxidación) puede reducir apreciablemente las emisiones de CO, HC y partículas, pero a condición de que los motores sean turbocomprimidos. Es esencial para que el efecto sea adecuado, que el gas oil no tenga azufre o tenga menos de 0.05%.

De todas maneras la interacción entre las mejoras tecnológicas, los costos y el control de las emisiones requiere soluciones de compromiso.

Así las medidas para reducir los NOx implican incrementar las emisiones de partículas por el caño de escape y el consumo.

Además una cosa son los resultados que se alcanzan en las pruebas de laboratorio y otra en la fase de industrialización de las propuestas técnicas.

ii) En los vehículos con motor diesel para el transporte pesado de cargas y personas (8)

Los objetivos a alcanzar son similares a los mencionados para los vehículos livianos o automóviles.

Para conseguirlos se proponen medidas similares, como por ejemplo:

• rediseño de las cámaras de combustión
• adaptación de nuevos sistemas de inyección
• inclusión de turbocompresores
• ajustes en el tiempo de inicio de la combustión

Los componentes modulares electrónicos, la incorporación del control lambda, el control electrónico de los motores, las bombas de inyección electrónicas, el control de la velocidad, la reducción del flujo con control del deslizamiento de la aceleración, el catalizador de oxidación y el bajo contenido de S en el diesel oil han permitido mejor el rendimiento y bajar las emisiones.

Pero cuando por ejemplo con turbocompresores se mejora la emisión de NOx se emiten más partículas.

La inclusión de cargas de aire frío al motor, parece un prerequisito que optimiza el trabajo en un solo cilindro y requiere retrasar el inicio de la inyección.

Lo ideal sería equipar a todos los vehículos con aire enfriado.

En vehículos de prueba se han implementado aciones como las siguientes:

• Turbocompresores con refrigeración de aire
• Inyección
• Inyectores para plena carga
• Control electrónico del motor
• Sistemas electrónicos totales
• Convertidores catalíticos de oxidación
• Tratamiento de gases de escape con trampas para partículas
• Sistemas de corte de llama

iii) La calidad del Gas oil y las emisiones (9)

• El bajo contenido de azufre (0 o menos del 0.05%), como ya se mencionó, afecta en grado sumo el comportamiento de los convertidores de oxidación e incrementa la emisión de partículas.
• La poca variabilidad en las especificaciones de densidad permite la adecuada calibración de la bomba inyectora y de la relación aire/gas oil. Si el gas oil es muy pesado genera más humos
• Un alto Indice, Cetano indica mayor participación de los hidrocarburos parafínicos en la composición del gas oil mejorándose así la combustión y produciendo menos CO y partículas.
• Si el punto final de la curva de destilación del gas oil (90% del destilado) es liviana, se producen más poliaromáticos y partículas
• Con poca variabilidad en la viscosidad se puede calibrar mejor la bomba inyectora.

iv) En síntesis los progresos alcanzados y en vías de concreción para mejorar los motores diesel serían los siguientes:

• En la Combustión e Inyección Introducción de válvulas múltiples
• Sobrealimentación (turbocompresión)
• Intercooling
• Inyección electróncia
• En los gases de escape
• catalizadores de oxidación
• filtros de partículas
• recirculación de gases
• Mejora la calidad de gas oil

2.4.5. Características de los modelos de automotores con motores diesel que se producen y circulan en argentina a fines de los años 90

En la planilla Nº 7 se especifican las principales características de los automóviles nacionales.

En la planilla Nº 8 las características correspondientes a los automóviles importados.

En la planilla Nº 9 se transcriben las principales marcas de vehículos Todo Terreno Importados.

En la planilla Nº 10 se incluye a la principales marcas de utilitarios nacionales de categoría menor a 2 Tn.

En la planilla Nº 11 se menciona a las principales marcas de utilitarios importados de categoría menor
a 2 Tn.

En la planilla Nº 12 se puede apreciar a los colectivos, onmibuses y minibuses.

En la planilla Nº 13 se hace referencia a los camiones de más de 2 Tn, nacionales e importados.

i) Los Automóviles Nacionales con motor diesel

Se seleccionaron 13 Tipos de vehículos pertenecientes a cinco Marcas.

• El Consumo Promedio (ruta-urbano) ponderado por la producción llega a 6.32lt/100km
• En los Sistemas de Alimentación de combustible prevalece la Inyección Indirecta con el 77% (el 15% con turbocompresión), la Bomba de Inyección aparece en el 15% de los casos y la Inyección Directa en el 8%.
• Los Sistemas de Transmisión son en su totalidad manuales
• En general la Potencia es inferior a la de los autos a motonafta y oscila entre 54 y 71 CV.

ii) Los Automóviles Importados con motor diesel

Se consideran 19 Tipos pertenecientes a 12 Marcas.

• El Consumo Promedio (ruta-urbano) llega a 7.46lt/100km
• En los Sistemas de Alimentación la Inyección Indirecta aparece en el 42% de los vehículos, la

Inyección Directa en el 21%, la Bomba de Inyección en el 32% y los Rotores en el 5%.

Poseen turbocompresor el 68% de los automóviles (tanto con Inyección Directa como con Indirecta o con Bomba de Inyección).

Tienen intercooler el 47% de los vehículos (junto con Inyección Directa, con Inyección Indirecta o con Bomba Inyectora).

Como puede apreciarse hay un uso mayor de técnicas más avanzadas en los coches importados que en los nacionales.

• Los Sistemas de Transmisión, en sólo el 16% se ofrecen con cajas automáticas.
• La Potencia es mayor que en autos de origen nacional y el 32% está por encima de los 100 CV.

iii) Vehículos Todo Terreno con Motor diesel

Se incluyen 20 Tipos de vehículos de 11 Marcas.

• El Consumo Promedio (ruta-urbano) es de 9.2lt/100km.
• Los Sistemas de Alimentación están casi proporcionalmente repartidos entre la Bomba de Inyección con el 36%, la Inyección Directa con el 32% y la Inyección Indirecta con el 32%.

El 84% tiene turboalimentación (tanto con Bomba Inyectora como con Inyección Directa e Inyección Indirecta).

Casi el 58% incorpora Intercooler también en los tres sistemas de alimentación.

• Los Sistemas de Transmisión en el 40% de los vehículos son con opción a caja automática.
• La Potencia en el 42% de los vehículos está por debajo de los 101 CV (entre 78 y 100). Los restantes van de 105 a 168 CV con alguno con 204 CV. En general los niveles de potencia están por debajo, en promedio, que en los Todo Terreno a nafta.

iv) Los Utilitarios de fabricación Nacional y motor diesel hasta 2 Tn de carga

Se trata de 11 Tipos pertenecientes a 5 Marcas.

• El Consumo promedio (ruta-urbano) se ubica en 11.66lt/100km, por debajo de los vehículos a nafta.
• Los Sistemas de Alimentación. En este caso sólo el 10% de los utilitarios de esta categoría emplean Bomba de Inyección y se reparten, por igual con el 45%, los que emplean Inyección Directa o Indirecta. También el 45% incorpora turbocompresión pero exclusivamente asociada a Inyección Directa.
• La Potencia se ubica en casi todos los casos por debajo del los 100 CV y oscila entre 61 y 95 CV.
• Los Sistemas de Transmisión son en su totalidad manuales.

v) Los Utilitarios Importados con motor diesel y menos de 2 Tn de carga

Se analizan 40 Tipos de vehículos de 18 Marcas.

• El Consumo de Combustible promedio (ruta-urbano) es de 8.71lt/100km.
• Los Sistemas de Alimentación. Prevalece la Bomba de Inyección en el 40% de los casos, la Inyección Directa en el 38% y la Inyección Indirecta en el 22%.
  Poseen turbocompresores el 40% de los vehículos (que tienen bien Bombas de Inyección o Inyección Indirecta). El intercooler está incorporado sólo en el 13% de los casos especialmente en vehículos con Inyección Directa y Turbocompresor.
• La Potencia en un 70% de los vehículos es inferior a 100% y varía entre 55 y 95 CV. La máxima detectada es de 116 CV.
• En todos los casos los Sistemas de Transmisión son manuales.

vi) Los Minibuses, Colectivos y Omnibuses con motor Diesel

El total de Tipos de Minibuses considerados es de 13 correspondientes a 7 Marcas.

El total de Tipos de Colectivos es de 4 correspondientes a 2 Marcas.

El total de Tipos de Omnibuses es de 2 pertenecientes a 1 Marca.

• El Consumo Promedio de los Minibuses (ruta-urbano) detectados es de 12.1lt/100km.
• El Consumo Promedio de los Colectivos (urbano) se situba en 55.5lt/100km
• El Consumo Promedio de los Omnibuses (ruta) llega a los 35lt/100km.
• Los Sistemas de Alimentación en el caso de los Minibues en el 54% de los vehículos es con Bomba de Inyección, en el 30% con Inyección Directa y en el 16% con Inyección Indirecta. En el 46% de los Minibuses se han incorporado turbocompresores y sólo en el 23% intercooler.
• La Potencia de los Minibuses se ubica entre los 80 y 100 CV. La Potencia de los Colectivos entre 170 y 204 CV y la de los Omnibuses entre 115 y 210 CV.
• En todos los casos la Transmisión es manual.

vii) Los Utilitarios de más de 2 Tn

Todos estos automotores funcionan con Motor Diesel. Se han analizado 23 Tipos de camiones pertenecientes a 5 Marcas.

• Los Consumos dependen esencialmente de los rangos de potencia.
  Para menos de 200 CV oscila entre 22.5 y 38.0lt/100km. Para rangos entre 250 CV y 360 CV varían entre 42.8 y 68.4lt/100km, sobre la base de una velocidad de 90km/hora ruta.

PLANILLAS CON IFORMACION SOBRE LAS DISTINTAS CATEGORÍAS DE VEHÍCULOS CON MOTORES DIESEL

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:

ID: Inyección Directa
BI: Bomba Inyectora
II: Inyección Indirecta
T. Turbodiesel
I: Intercooler

Transmisión:

M: Manual
A: Automática
M/A: Opcional Manual o Automática

Planilla Nº 2.4.5.2. Planilla para Información sobre Autos Importados con motor diesel

Planilla Nº 2.4.5.6. Minibuses, Colectivos y Omnibuses con motor diesel

Fuente adicional: (+) Información de Mercedes Benz.

Fuente adicional:
(+) Empresa Mercedes Benz
(+ +) Empresa Scania

3. Las opciones Técnicas Alternativas

En primer lugar se describirá a aquellas que no se consideran de posible aplicación a escala comercial en Argentina hasta el año 2012, horizonte de este estudio.

Posteriormente se mencionará el uso del Gas Natural Comprimido en Motores de Combustión interna, alternativa muy difundida en Argentina

Por último se incluirán algunas consideraciones sobre el empleo de Gas Licuado de Petróleo en motores a explosión, cuyo uso para estos fines, está expresamente prohibido en Argentina.

3.1. Las Opciones Técnicas Alternativas de uso improbable a escala comercial en Argentina hasta el año 2012 (10)

Se trata de vehículos de Bajas, Ultrabajas y Cero emisiones (LEV, ULEV, y ZEV o Low, Ultralow and Zero emssion vehicles).

Existen en etapa de experimentación o demostración diversos tipos de vehículos cuya principal característica es generar durante el uso una menor emisión de contaminantes (HC, CO, NOx) comparados con los vehículos de combustión interna que emplean combustibles fósiles. A continuación se realiza una revisión de las principales tecnologías, aspectos económicos, y estado de desarrollo y difusión. Se debe tomar en cuenta que la denominación de vehículos de baja o nula emisión hace referencia a las emisiones durante el uso y no toma en cuenta las emisiones que podrían generarse durante otras etapas del ciclo de vida de la tecnología o de la cadena del combustible. Estos vehículos utilizan energéticos menos contaminantes y que tienen el potencial de ser generados en forma limpia a través de fuentes renovables de energía (hidroelectricidad, hidrógeno) y metanol.

Las dificultades para su incorporación al mercado no están relacionadas únicamente con el costo de la tecnología sino que también se deben a la carencia de una infraestructura de recarga de energéticos (hidrógeno), a cuestiones técnicas (menor potencia, autonomía limitada, menor espacio disponible, etc.) y a la percepción que el usuario tiene de estas cuestiones. Todas estas tecnologías están en etapa de desarrollo y demostración, con la excepción de algunos vehículos eléctricos de pequeño porte y baja autonomía que se comercializan desde hace algunos años para aplicaciones muy específicas en los Países Desarrollados.

3.1.2. Vehículo eléctrico (baterías + motor eléctrico)

Estos vehículos están clasificados como vehículos de emisión cero (ZEV) ya que utilizan un motor eléctrico que funciona en base a la energía eléctrica almacenada en un banco de baterías.

Las baterías utilizadas son en general de Plomo-Acido o de Niquel-Hidruro Metálico. Las baterías plomo-ácido son las menos costosas, mientras que otras tecnologías de almacenamiento apuntan a reducir el peso y aumentar la performance. La densidad de almacenamiento de energía de una batería plomo-ácido es unas 400 veces menor que la de la gasolina. Por esta razón un vehículo particular típico requiere unas 30 baterías. Esto incrementa el peso del vehículo en forma apreciable (un auto eléctrico puede pesar unos 400kg más que uno convencional) y requiere generar un balance entre el tamaño, peso, costo, y la autonomía del vehículo.

Cada batería plomo-ácido cuesta alrededor de $300 y tiene una vida útil de entre 16.000 y 40.000 km.

Estas baterías son sensibles al congelamiento de su electrolito líquido y presentan productos contaminantes que deben ser dispuestos en forma adecuada. Además requieren un mantenimiento mínimo cada algunas semanas para reponer el agua perdida.

La autonomía de un auto eléctrico varía entre 90 y 240km dependiendo del modelo y del la modalidad de uso, unas tres veces menos que la correspondiente a un auto convencional. La autonomía se ve reducida por factores tales como la carga del vehículo, altas velocidades, pendientes pronunciadas, bajas temperaturas y el uso de equipamiento auxiliar (aire acondicionado, limpiaparabrisas, etc.). La reducc