El fabricante de Yokohama presentó un prototipo de motor de combustión interna que consigue una eficiencia de un 50 %. En este artículo veremos primero cómo se consigue, después cómo se aplicará y por último, el problema que debe resolver Nissan. Comenzamos por explicar qué es la eficiencia.

Eficiencia energética es un término al que cada vez se le da más importancia. En resumen, es la cantidad de energía cinética que producimos de la disponible en cada litro de gasolina. En dicha conversión siempre hay pérdidas en forma de calor, ruido, vibraciones, etc.

Por supuesto, cuanto mayor sea este valor, mejor aprovechamos la energía, por lo que consumiremos menos combustible para el mismo trabajo que otro motor menos eficiente. Dicho de otra forma, con la misma cantidad de combustible, el motor más eficiente llega más lejos a la misma velocidad, con la misma carga, etc.

Motor e-Power

La eficiencia energética en años pasados

En los primero años de la automoción este factor no era muy importante más allá del incordio de tener que parar para repostar. Con las crisis del petróleo de los años 70 empezó a cobrar importancia, pues el precio de la gasolina llegó a triplicarse en un breve tiempo. El petróleo resultó ser ni “infinito” ni barato. Fue más un problema político que un problema energético.

En esos años años se generalizó la inyección electrónica, con lo que el rendimiento energético subió al 30 %. El empleo de las cuatro válvulas por cilindro y turbos subieron este rendimiento al 32 % en los 90. Con el cruzamiento de válvulas e inyección directa elevaron ese rendimiento al 35 % en el año 2000.

Los motores actuales suelen tener una eficiencia del 40 % por ajustes y otras mejoras como la inyección directa. La búsqueda de este incremento en la eficiencia no es solo por reducir el consumo. Además, si consumimos menos, contaminamos menos y producimos menos CO₂, y en estos momentos nos parece muy importante no contaminar el medio ambiente y no generar más gases de efecto invernadero.

La mayoría de los fabricantes ya están estableciendo hojas de ruta para eliminar los motores de combustión por completo. Primero, dejarán de desarrollar nuevas generaciones para Euro 7 y futuras normas. Segundo, dejarán de comercializar los motores ya desarrollados. Tercero, los híbridos enchufables serán los últimos que lleven motores de combustión interna.

Laboratorio Nissan

¿Por qué la eficiencia actual es del 40 % (como mucho)?

Una característica de los motores actuales es que funcionan muy bien en todos sus regímenes. Si habéis conducido vehículos turbo de más de 20 años sabéis de qué estoy hablando. Estos motores funcionan muy bien en un rango muy pequeño de vueltas, al que llegamos impulsados por una “patada”.

Si habéis conducido una motocicleta de 125 cc de alto rendimiento también ocurre algo similar, solo trabajan bien en alta y debemos recurrir al cambio de velocidades muy a menudo para mantenerse en la parte potente. Para conseguir que un motor trabaje bien en un rango muy amplio su utiliza la gestión electrónica, que gestiona la cantidad de combustible, su momento de inyección y detonación, turbo de geometría variable y cruzamiento variable de válvulas.

Además de todos estos parámetros es fundamental tener una compresión adecuada, pues a más compresión mejor eficiencia. Ahora bien, si tenemos una compresión elevada el motor se vuelve “perezoso” y le cuesta cambiar de revoluciones. Como acabamos de comentar, en un vehículo queremos que el motor sea lo más elástico posible para poderlo utilizar en el mayor rango de revoluciones posible.

Siempre que hablamos de un automóvil, hablamos de una decisión intermedia de sus características. Si queremos que nuestro motor sea eficiente debe tener una compresión elevada. Si queremos que sea manejable debemos reducir ese nivel, por lo que debemos elegir un compromiso intermedio. Por estos motivos la eficiencia de los motores de combustión interna para automóviles está en torno al 40 %.

Veamos cómo supera este umbral el nuevo motor de Nissan.

Prototipo STARC

Concepto STARC, o cómo consigue Nissan el 50 % de eficiencia con un motor de combustión interna

Sería estupendo conseguir un motor que siempre trabajara en su ciclo óptimo con unas revoluciones y cargas fijas. Antes hemos dicho que esto no es posible en un turismo, o ¿sí se puede? En turismo tradicional no, pero en un eléctrico con autonomía extendida -como el Chevrolet Volt– por motor de combustión sí. La explicación de este concepto denominado híbrido en serie es muy sencillo: circulamos en modo eléctrico y cuando la carga de la batería baja de cierto valor, arranca el motor de combustión.

Este motor puede funcionar con carga y revoluciones constantes. Más adelante hablaremos de más detalles de los híbridos en serie, pasamos a explicar el concepto STARC.

Este término es un acrónimo de “Strong, tumble and appropriately stretched robust ignition channel” o “Canal de encendido robusto, fuerte, giratorio y adecuadamente estirado”

La cámara y paso de gases de este motor están diseñados para una mezcla óptima de gases en su rango de utilización, que es fijo. Este motor, que todavía está en fase de pruebas, alcanzó una eficiencia del 43 % utilizando la técnica EGR, esto es, recirculando los gases de escape hacia la admisión del mismo.

El siguiente hito fue utilizar una mezcla muy pobre de combustible. La proporción ideal entre gasolina y oxígeno para que ni sobre ni falte nada es de 1 g de gasolina por cada 14,7 g de aire. Con esta proporción no queda gasolina sin quemar ni oxígeno libre. Cuando se cumple la proporción en una reacción química se dice que la mezcla es estequiométrica.

Esta proporción se representa por la letra griega lambda con el valor 1. En otras palabras, el factor λ=1 quiere decir una proporción 14,7:1 entre aire y combustible. Ahora bien, ¿qué puede pasar si introducimos la mezcla exacta en el cilindro? Pues que si hay algún problema con las turbulencias internas puede quedar algo de combustible sin detonar, con lo que perdemos energía y reducimos la eficiencia.

Turbulencias en motor STARC

De nuevo tenemos una decisión que tomar, pues si queremos una potencia alta y obtener un buen rendimiento por cilindrada el factor λ debe ser menor de 1 (mezcla rica), y si queremos aumentar la eficiencia debe ser mayor a 1 (mezcla pobre).

En el motor STARC de Nissan se utiliza una proporción λ=2, lo que quiere decir que introducimos el doble de aire del que puede ser quemado. De esta manera nos aseguramos de que no va a quedar ni una molécula sin quemar, al estar todas en contacto con oxígeno.

Por supuesto, no es suficiente el reducir la proporción de la mezcla, pues lo que puede pasar en un motor tradicional es que el combustible no sea alcanzado por el encendido de la bujía. Otro gran problema es la velocidad del mismo encendido, para que un motor sea eficiente el encendido debe ser lento para asegurarnos de que se ha quemado por completo.

Ambos problemas son resueltos en el nuevo motor de Nissan, pues la velocidad de giro es fija, la compresión alta y la cámara de combustión se ha diseñado para una combustión perfecta, de ahí lo de “Canal robusto de encendido”. Con estas características y λ=2 se obtiene el 46 % de eficiencia en un motor multicilíndrico.

Queda el último hito para llegar al 50 % de eficiencia. Nissan nos informa que lo ha conseguido con una velocidad de giro y carga constantes combinados con la recuperación de la pérdida de calor del mismo motor. En teoría este motor reduce el consumo en un 20 % con respecto a otro de la misma potencia.

Este motor se aplicará en los modelos e-Power que pasamos a explicar.

Sistema e-Power

Nissan tiene dos objetivos muy importantes: llegar a la neutralidad del carbono en el ciclo de vida de sus productos en 2050 y que sean eléctricos todos los vendidos a principios de la década de 2030 en los principales mercados. El sistema intermedio que está implementando Nissan es el denominado e-Power. Básicamente es un vehículo eléctrico con un motor de combustión que recarga la batería si baja de cierto nivel de carga; en otras palabras, el motor térmico es exclusivamente generador, no impulsor. El sistema de 12 voltios convencional se alimenta del sistema de alta tensión, no con un alternador clásico.

Este tipo de híbrido es llamado en serie, ya que el motor de combustión se conecta al motor-generador, el motor-generador a la batería, la batería al inversor y el inversor al motor tractor. Destacamos que solo el motor eléctrico es el que está en contacto con las ruedas. Es la misma técnica que utiliza el BMW i3 con la opción de rango extendido (REX), no hay conexión mecánica ni directa ni indirecta de las ruedas con el motor térmico.

Nissan utilizó esta arquitectura por primera vez en Japón en 2016 con el Nissan Note, donde esta opción fue el 70 % de sus ventas. El primer Nissan e-Power en Europa será el nuevo Nissan Qashqai. De una manera muy sencilla podemos decir que el propulsor del nuevo Qashqai e-Power llevará la parte eléctrica del Leaf, a la que se le añadirá un motor de 154 CV de compresión variable que moverá un motor-generador para cargar la batería de alto rendimiento.

La potencia total será de 140 kW, que es lo que eroga el motor eléctrico. De esta manera conjugamos las ventajas del vehículo eléctrico con una mayor autonomía proporcionada por el motor de combustión.

Pasamos a explicar el problema a resolver.

e-Power en marcha

El punto débil de un vehículo híbrido en serie

Si el sistema de híbrido en serie es ventajoso por su eficiencia, ¿por qué no es más utilizado? La razón es que necesitamos convertir la energía mecánica del propulsor térmico, para ello empleamos un motor-generador.

El problema es que cada vez que transformamos la energía hay pérdidas, como indicamos al principio de este artículo. En el caso de los generadores también podemos hablar de eficiencia. La eficiencia típica de un alternador de alto rendimiento está en torno al 60 % y de un 70 a un 80 % a velocidad media, está optimizado para trabajar en un abanico concreto de condiciones.

En un turismo de combustión típico, aunque la eficiencia sea baja, es poca la potencia la que se pierde con un alternador de 12 voltios, porque es relativamente bajo el consumo eléctrico. En un híbrido en serie es muy importante, pues de nada sirve tener un motor de combustión muy eficiente si nuestro generador no es capaz de transformar toda potencia en energía eléctrica.

Por este motivo, la eficiencia del generador de electricidad debe superar el 80 %, para que al combinarlo con la eficiencia del motor de combustión del 50 % sea mejor que el 40 % que proporciona un motor de combustión directo a las ruedas. Indudablemente Nissan también habrá trabajado en este punto para que la nueva generación e-Power sea eficiente en su conjunto. Os lo contaremos aquí cuando Nissan ofrezca sus datos.

La conducción de un híbrido en serie es parecida a la de un eléctrico puro, el motor eléctrico mueve las ruedas con una relación de transmisión fija (no hay marchas). Siempre que la carga de la batería sea suficiente, se evitará el uso del generador, por lo que puede rodar sin emisiones puntualmente. Cuando haga falta más potencia se recurre al generador. También es posible recuperar parte de la energía cinética en deceleraciones y frenadas, como en cualquier otro híbrido.

Si la capacidad de la batería es muy superior y se puede recargar energía de forma externa, ya hablamos de un coche eléctrico de autonomía extendida (E-REV). En un híbrido enchufable al uso el motor principal sigue siendo el de combustión, tanto por su conexión mecánica a las ruedas como por ser necesario para lograr toda la potencia anunciada. En un E-REV el motor de combustión rinde menos potencia que el eléctrico, y la diferencia se extrae de las baterías hasta cierto punto. Pasado ese punto, se produce la limitación de prestaciones.

Sirva de ejemplo el último BMW i3 REX comercializado en Europa, el i3 REX erogaba 170 CV con su motor eléctrico, o 184 CV en el caso del i3s REX, mientras que el generador bicilíndrico de origen Kymco solo aportaba 38 CV. Mientras haya carga suficiente en las baterías no hay problema, pero si se ha entrado en la zona de carga baja, cuando arranca el generador, es cuando aparecen los problemas.

Mientras basten menos de 38 CV para avanzar, la carga empezará a recuperarse lentamente. Si se necesitan 38 CV exactos, ni sube ni baja. Si se necesitan más, como subiendo cuestas o pasando de cierta velocidad, la batería aporta dicha diferencia, pero solo durante un tiempo. Pasado ese tiempo, el coche pasa a tener 38 CV, ni uno más, porque no se puede sacar de donde no hay.

Hace años, en el blog Engendro Mecánico de km77 probaron a hacer un viaje de larga distancia con un i3 REX usando dos estrategias. En primer lugar, probaron a dejar que el generador empezase a trabajar cuando hiciese falta. En segundo lugar, mantuvieron el generador en modo de carga sostenida (siempre que fuese posible) en vez de vaciar baterías y continuar con gasolina. Los resultados fueron muy distintos.

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