Evolució del motor propulsor

ORIOL GALLEMÍ I Dr. Enginyer del IQS, expert en energia elèctrica i híbrida


El motor de combustió ha protagonitzat el boom de la mobilitat des de principis del segle XX fins enguany. Com a tal ha viscut les evolucions merescudes en èpoques d’abundància i les regressions en èpoques de crisi.



Als inicis de l’automoció, després dels carros tirats per cavalls i la primera evolució cap a carros de vapor, el primer element a ser reemplaçat és la caldera, que ocupa un volum excessiu i es substitueix per un bloc de bateries elèctriques amb un motor elèctric. Amb bateries de plom i àcid, l’autonomia és baixa i ràpidament apareixen els motors de combustió que, malgrat ser molt més sorollosos i incòmodes (es solen produir amputacions i accidents durant la maniobra d’arrencada amb la palanca extraible del cigonyal), gaudeixen de més autonomia i la llibertat de poder omplir a qualsevol indret.


El motor elèctric d’arrencada triga 30 anys des de la seva primera implantació fins a la seva instal·lació en automòbils de gran tirada. Aquesta fita representa l’abandonament del vehicle elèctric pel motor de combustió, que ja no suposa cap risc durant l’arrencada.


Dues guerres després, amb la gran crisi passada a més d’un període de recuperació de la industria i economia, es presenta un altre període de creixement i que porta la tecnologia militar a la terra. Els turbos surten dels avions. La popularització del vehicle amb el boom europeu dels 60 i l’autarquia del 600 a l’estat, a més de l’esplendor dels grans automòbils americans van ajudar a consolidar la indústria. Va ser l'època dels vehicles de 20CV i 600kg a Espanya i dels motors 6.5LV8 i 2500kg als USA.


La crisi del petroli dels 70 i les restriccions a la benzina amb plom va donar ales a alternatives elèctriques i van reduir el rendiment dels motors Otto en baixar dràsticament les relacions de compressió. A Espanya van ser representatius al segment C vehicles de 900kg i 50CV, amb cilindrades de 1.3L i configuracions de 4 cilindres i 8 vàlvules.


A mitjans dels 80, la mida dels vehicles es va contenir als USA bo i mantenir la seva massa i Europa va emfatitzar una contenció de les mides. El segment C rondava els 900kg amb uns 80CV i desplaçaments de 1400cc. En aquest punt comencen a emergir alguns motors dièsel que presenten consums volumètrics inferiors, especialment per la consolidació de la injecció electrònica.


Cal remarcar que el consum volumètric de carburant (L/100km) és una magnitud imprecisa i que sols s’ha fet servir de cara a la comercialització ja que implica una magnitud variant com és la densitat del carburant. Tècnicament s’ha emprat el consum específic de carburant per unitat de potència (Kg/s per CV, o actualment i més estès el g/kWh) per avaluar rendiments. També resulta interessant que les particularitats del cicle termodinàmic Otto els dona certs avantatges de potència específica amb relacions de compressió elevades (mentre la mescla no detoni espontàniament al cilindre, el conegut “picat”). Per contra, els motors atmosfèrics Diesel presentaven als 80 ratis de compressió que doblaven els Otto i, per tant requerien de blocs motor més massissos que pesaven més, donaven menor potència i un parell superior.


Al món de la competició apareixen els primers turbos i controls de vàlvules ajustables. A més, alguns carburadors es veuen substituïts per injectors i l’encesa comença a ser electrònica. Aquests avenços aviat es filtren i arriba al mercat la primera època del turbo, sobretot aplicat en motors Otto d’altes prestacions. Al final de la dècada, i derivat dels abusos per sobrepressió i dels problemes de control del turbo, aquest element desapareix durant 10 anys.


Entrats els anys 90 els motors esdevenen referents pel seu consum volumètric o les seves prestacions creixents. El segment C sobrepassa la tona (1100kg) i demana motors més potents (1.6L, 16v, 125CV). Cap al final de la dècada, els motors Diesel incorporen turbo, intercooler i una potència aproximadament la meitat dels seus rivals de benzina. En aquest punt apareixen dues macrotendències: la primera “els Diesel gasten menys” i la segona “cal tenir tants Dièsel com Otto”. Certament, els avantatges dels dièsel en consums relatius es donen per la seva potència més reduïda, la facilitat de conducció d’un motor amb parell superior i l’adveniment de les bombes d’alta pressió i posteriorment el “common rail”. Els primers blocs motor d’alumini arriben al mercat i, malgrat que el motor s’alleugereix, el conjunt de vehicle segueix la seva espiral d’augment de massa.


Discretament, a mitjans de la dècada, Toyota llança al mercat el primer motor de cicle Atkinson (un cicle termodinàmic de menor potència que Otto i superior rendiment) en el primer vehicle híbrid de llarga tirada i General Motors pilota una experiència amb el llegendari EV1, inaugurant també el primer experiment massiu amb vehicles de Leasing. El primer model tomba la dècada amb diverses generacions i el segon passa a la posteritat per la repercussió mediàtica i l’encant d’una bateria de NiMH amb un amplificador trifàsic de 100kW acoblats a un motor d’inducció.


El motor Atkinson disposa dels mateixos elements alternatius que un Otto i redueix els efectes del knock (picat) en tenir menor càrrega activa a l’interior del cilindre. Apareixen els primers imants d’alta energia i es poden implementar per primera vegada els algoritmes de control de Clark i Park als reguladors electrònics dels motors elèctrics. L’electrònica entra al vehicle.


A principis del 2000 es comencen a transposar les directives pactades a Kyoto el 1990 i es despleguen sistemes com el EGR, dissenyat feia més de tres dècades. Els objectius eren fonamentalment reduir els NOx i massa emesa de partícules per Km recorregut en un cicle tipus.


Durant la combustió, les diverses espècies químiques presents a la cambra i la temperatura màxima de combustió (a l’atmosfera hi ha un 80% de N2) reaccionen entre elles donant lloc a òxids de nitrogen, hidrocarburs no cremats i grànuls de carbó, entre d’altres. Els alvèols pulmonars tenen uns 200um de diàmetre, i poden filtrar amb les mucoses les partícules grans de carbó abans d’arribar al flux sanguini, però resulta inconvenient a la vista el fet de poder percebre un fum negre sortint de l’escapament. Per fer front a aquestes formacions es sensoritza el vehicle amb sondes lambda, de temperatura i pressió, trampes de sutge i l’electrònica pren ja el protagonisme de l’encesa i els sistemes d’assistència activa del motor.


L’increment de seguretat dels vehicles, el símbol hedonista del cotxe particular i el boom econòmic a principis de segle provoca una eclosió del mercat de vehicles 4x4 de gran cilindrada i es disparen les vendes al segment C de tipus SUV (cotxes amb una alçada de l’habitacle superior a l’anterior generació). Aquest increment de volum comporta un increment de massa (>1600kg) i per tal de mantenir prestacions els motors incrementen el desplaçament i la potència (150CV). La complexitat del motor dièsel i benzina comencen a ser iguals i les prestacions entre un i altre s’acosten igual que els seus consums específics.


Els motors de cicle Diesel incorporen ja tots turbo, injecció de molt alta pressió (>1500bar) i sistemes amb úrea i post tractaments per reduir les emissions.


Els motors de cicle Otto mantenen el catalitzador i la EGR, a més d’incorporar EGR refrigerades i multietapa a diferents pressions per tal de poder rebaixar la temperatura de la cambra de combustió.


El vehicle elèctric no es planteja com a alternativa viable, i alguns emprenedors arrenquen negocis com ACpropulsion que resulta la llavor del fabricant Tesla. El 2004, s’obren les regulacions tècniques de Le Mans a vehicles híbrids. El 2009 la IoMTT organitza la primera categoria de motos elèctriques al traçat centenari: la TTXGP (actualment SES TTzero), posant de manifest que les prestacions han millorat substancialment gràcies a les bateries de Liti, un metall molt més lleuger que el plom.


Passada la primera dècada i la primera gran crisi del segle, el mercat del vehicle s’estanca i els motors comencen una espiral de “downsizing” fora dels USA. Els motors redueixen cilindrada i augmenten les prestacions específiques. La demanda de SUV manté la massa en 1600kg i les potències ronden els 200CV amb desplaçaments mitjans de 2.0L amb tendència a incrementar la massa i reduir la cilindrada.


Amb unes prestacions específiques i unes sol·licitacions mecàniques elevades, el nou front és als recobriments superficials, la reducció de friccions internes, les reduccions de pèrdues per bombeig i la reducció de massa del conjunt propulsor i de tractaments a l’escapament.

“Els millors motors de cotxe presenten rendiments tèrmics nets superiors al 38% i les motos ronden el 26%. En camions i nàutica, els rendiments tèrmics superen el 40% amb escreix.

La forta pressió per disposar d’elevades prestacions alhora que superar els assajos d’emissions fa que la diferència entre els consums i emissions reals i les declarades en homologació discrepin entre un 40% i un 4000% segons publiquen revistes i estudis a partir de 2014. L’escàndol DieselGate es publica més tard arran d’una tesi doctoral als USA emprant un nou sistema que permet mesurar les emissions reals al carrer i que corrobora les tesis dels experts. Els millors motors de cotxe presenten rendiments tèrmics nets superiors al 38% i les motos ronden el 26%. En camions i nàutica, els rendiments tèrmics superen el 40% amb escreix.


*Paral·lelament, la irrupció de noves empreses al sector del vehicle elèctric trenca l’hegemonia dels principals fabricants. La FIA i la FIM arrenquen autònomament categories elèctriques, després de mantenir la flama durant quasi tres dècades en categories inferiors. El 2010 apareixen el campionat internacional e-Power (actual moto-e) i el 2014 el campionat Formula-e. Els noms dels fabricants sonen poc a les orelles dels experts: Lightning, Zero, Münch, Crystalyte, CRP, NIO, Mahindra, Venturi, etc.


Tècnicament els motors segueixen augmentant la complexitat i l’electrònica millora les capacitats de processament de forma exponencial, especialment per la transferència de tecnologia del mercat mòbil i d’electrònica de consum. No obstant, el MP3 triga 3 dècades en entrar de sèrie al cotxe i el GPS encara no es troba a tots els vehicles fins que no es transposen les directives europees el 2018. El Bluetooth, wifi, 3G, 4G i 5G encara costen d’entrar al vehicle.


Pel que fa al vehicle elèctric i híbrid, l’electrònica de potència evoluciona a pas de gegant. Els components es miniaturitzen i s’integren cada cop més amb els circuits, eliminant cables innecessaris, reduint dràsticament la massa i permetent una millor evacuació de l’escalfor generada. A més, les eines de simulació numèrica permeten optimitzar els rendiments fins a nivells propers al 90% en la cadena inversor+motor en punts concrets de treball.