Nuevos desarrollos en automoción y transporte (IV/IV) 4ª Parte. Los vehículos híbridos. Situación actual y evolución previsible

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1 Nuevos desarrollos en automoción y transporte (IV/IV) 4ª Parte. Los vehículos híbridos. Situación actual y evolución previsible Antonio Arenas Alonso Ingeniero Industrial (ICAI), Ingeniero Técnico (ICAI) y Doctor por la Universidad Pontificia Comillas (UPCO). Es Profesor Propio Adjunto de la UPCO del Departamento de Fluidos y Calor. Dirige la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas José Ignacio Linares Hurtado Ingeniero del ICAI (1992) y Doctor Ingeniero Industrial por la UPCO (1997). Es profesor Propio Agregado de la UPCO en el Departamento de Fluidos y Calor, dirigiéndolo desde Este artículo pretende resumir la conferencia impartida el 14 de mayo de 2003 por D. Alfonso Román, Director de Postventa,TOYOTA España, S.L.U, dentro del ciclo Nuevos desarrollos en automoción y transporte, organizado por el Departamento de fluidos y Calor de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI. Tras una breve presentación de la organización TOYOTA, en la que se pone de manifiesto el privilegiado cuarto puesto que ocupa a nivel mundial entre los fabricantes de vehículos, con empleados en todo el mundo y única empresa del sector del automóvil que siempre ha obtenido beneficios económicos, el conferenciante refleja el enorme esfuerzo de investigación y desarrollo que, de forma continuada, está haciendo TOYOTA por la calidad, la mejora en la eficiencia y la reducción de emisiones, en un contexto de permanente preocupación por el medio ambiente. Introducción Desde la primera crisis del petróleo, allá por los años 1970, los diversos sectores consumidores de energía iniciaron un proceso de toma de conciencia sobre la limitación de las reservas de energía de origen fósil y el impacto ambiental de su uso, siendo el sector transporte donde se han dado pasos mas espectaculares por el aumento de la eficiencia y la reducción de emisiones. En este contexto cobra fuerza el desarrollo del vehículo con accionamiento eléctrico, y de forma muy particular las miradas y las expectativas se sitúan de forma generalizada en el vehículo eléctrico con pila de combustible.sin embargo en ése camino hacia esta motorización algunos 1 Veanse partes anteriores de esta serie de artículos. fabricantes han decidido pasar por etapas intermedias consolidadas y así en estos momentos se comercializan vehículos híbridos en los que, siendo accionados por motores eléctricos, incorporan en el mismo vehículo un motor térmico convencional para producir la energía eléctrica necesaria. La consolidación comercial de estos vehículos híbridos suponen un paso importante para llegar con tecnologías probadas al vehículo eléctrico, con independencia de la fuente eléctrica utilizada 1,ya que la transición hacia estos vehículos desde los híbridos consistirá fundamentalmente en el cambio en el sistema de generación eléctrica: sustitución del sistema motor térmico convencional y generador 6 anales de mecánica y electricidad / marzo-abril 2004

2 eléctrico por la fuente eléctrica utilizada. Por ello la importancia de estos vehículos híbridos, como sistemas de transición tanto en tecnología como en prestaciones y hábitos de conducción. En la conferencia aquí resumida se presenta al vehículo híbrido como un paso más en la lucha contra el consumo y la reducción de la contaminación medioambiental, poniéndose de relieve un aspecto de la contaminación poco comentado, y es la contaminación debida a los elementos integrantes del vehículo cuando éste alcanza el final de su vida útil. 4% 4% 15% 13% 11% Figura 1. Composición VFU 35% 11% 7% Plásticos Neumáticos Textiles Vidrio Goma sellados Baterías Fluidos Otros Impacto del automóvil sobre el medio ambiente El automóvil, como equipo activo y de vida limitada, es un generador de residuos en todas las fases de su vida: construcción y montaje; uso, mantenimiento y conservación, y al final de su vida útil. Estos residuos son: Sólidos, elementos de carrocería (chapa metálica, plásticos, vidrio, neumáticos, baterías, componentes mecánicos, eléctricos, metales pesados, ). Líquidos, aceites de motor y transmisión, los existentes en sistemas de frenos y dirección, refrigerantes, grasas, lacas y pinturas, disolventes, parafinas... Gaseosos, emisiones producidas por los motores térmicos en su funcionamiento (CO 2,CO, HC, NOx, ), sistemas de climatización, amortiguadores, airbags, Así algunos datos del impacto medioambiental del automóvil son: Origina el 5,5% de las emisiones de CO 2 (otro 6% adicional se debe a vehículos pesados y autobuses). En España, con un parque actual aproximado de 18 M de turismos, anualmente se dan de baja unos vehículos, estimándose se abandonan entre y unidades/año. Durante el año 2.002, los vehículos fuera de uso (VFUs) generaron aproximadamente toneladas de residuos. En la Figura 1 se muestra la composición de los residuos procedentes de los vehículos al final de su vida útil, según ANIACAM 2. La directiva 2000/53/CE del parlamento europeo [1] define como objetivos el establecimiento de medidas destinadas a la prevención de los residuos procedentes de vehículos y, adicionalmente, a la reutilización, reciclado y otras formas de valorización de los vehículos al final de su vida útil (vehículos fuera de uso) y de sus componentes. Dicha directiva en su preámbulo reconoce la existencia de más de ocho millones de toneladas de residuos producidos por los vehículos al final de su vida útil y exige a los estados miembros el establecimiento de medidas antes de abril de 2002 para fomentar la prevención y garantizar la recogida y el posterior tratamiento, así como fomentar la reutilización de los componentes reutilizables y la valorización de los componentes que no sean reutilizables. En relación con la prevención la directiva exige que desde julio de 2003 ningún vehículo podrá ser puesto en el mercado conteniendo plomo, mercurio, cadmio o cromo hexavalente. con excepción de algunos elementos muy concretos (lámparas, baterías, y otros) que tendrán que estar debidamente etiquetados. En relación con la recogida la directiva exige a los estados miembros la adopción de medidas para que a partir del 1 de enero de todos los vehículos al final de su vida útil sean transferidos a instalaciones de tratamiento autorizadas, así como la implantación del uso de un certificado de destrucción cuando se desee dar de baja del registro de matriculación al vehículo al final de su vida útil. La entrega del vehículo bajo las condiciones anteriores se deberá producir sin coste alguno para el último usuario del mismo, excepto cuando se den determinadas circunstancias concretas. Respecto de la reutilización y valorización la directiva establece porcentajes del peso del vehículo que deberán ser reutilizados o valorizados cuando aquél se encuentre al final de 2 Asociación Nacional de Importadores de Atumóviles, camiones, Autobuses y Motocicletas. 3 A partir del 1 de julio del 2002 para todos los vehículos que salgan al mercado a partir de esa fecha. Nuevos desarrollos en automoción y transporte (IV/IV) 4ª Parte. Los vehículos hibridos. Situación actual y evolución previsible 7

3 Figura 2. Híbrido en serie Direct current Alternating current Figura 3. Híbrido en paralelo porcentajes anteriores se incrementarán hasta el 95% y el 85% respectivamente. Según esta directiva y a partir de 2005, los fabricantes de vehículos se verán obligados, para recibir la homologación, a construir aquellos reutilizables y/o reciclables al menos en el 85% y reutilizables y/o valorizables en el 95% de su peso para cada vehículo. Igualmente, la directiva obliga a los fabricantes de vehículos a facilitar información de desmontaje para cada nuevo tipo de vehículo que salga al mercado, asimismo y en la medida que sea necesario la información identificará los distintos componentes y materiales y la localización de cualquier sustancia peligrosa que se encuentre en el vehículo, a fin de que las instalaciones de tratamiento puedan cumplir con esta normativa 4. En España, el RD 1383/2002 [2] incorpora a nuestro derecho interno la directiva 200/53/CE, recogiendo y aplicando los criterios y exigencias planteados en dicha directiva. Transmisión / Vehículos híbridos Se conocen como vehículos híbridos aquellos cuya motorización se realiza utilizando un motor eléctrico y otro normalmente térmico convencional 5 {1}. Así se puede utilizar un motor eléctrico para la circulación en zonas urbanas y el térmico para las interurbanas. En otros casos el motor eléctrico es empleado exclusivamente para el accionamiento del vehículo y el térmico para generar la electricidad necesaria para la alimentación del primero (Figura 2, híbrido en serie). En otras soluciones híbridas el motor eléctrico y el motor térmico, ambos, aportan permanentemente su energía mecánica para impulsar al vehículo (Figura 3, híbrido en paralelo). Figura 4 su vida útil, determinando plazos para su implantación. Así a más tardar el 1 de enero de 2006, se aumentará la reutilización y valorización hasta un mínimo del 85% y el reciclado hasta un 80% del peso del medio por vehículo y año. Para el 1 de enero de de 2015, los Toyota Prius {5}{6} El vehículo híbrido Toyota Prius (Figura 4) es un vehículo de serie resultado del compromiso medioambiental de la firma Toyota y de su fuerte inversión en I+D para el desarrollo de vehículos medioambientalmente más respetuosos. Sus características más relevantes son el fruto de los objetivos marcados para todo su ciclo de vida: Incrementar al máximo los componentes reciclados en el vehículo (principalmente los de material plástico). 4 Existen acuerdos para la implantación del Sistema de Identificación Internacional sobre Desguace (IDIS) 5 Ha de advertirse qeu el nombre de vehículo híbrído se puede utilizar para expresar otras combinaciones de sistemas energéticos además de la aquí expresada. 8 anales de mecánica y electricidad / marzo-abril 2004

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5 Motive power path Electrical power path Figura 5. Híbrido serie-paralelo Power split device Reduction gears Electric motor Reducir el consumo de combustible (5,1 litros /100 km). Disminuir las emisiones de gases contaminantes.: CO + HC + NOx aprox. 30% de las correspondientes a un motor de gasolina convencional de similar tamaño; CO 2 < 120 gr/km. Cumple sobradamente la normativa Euro IV de aplicación a partir del año Cx = 0,29. Autonomía superior a los 1000 km Gestión de la energía de forma más eficiente: Recuperar la energía que normalmente se pierde mediante el sistema de frenado regenerativo. Utilización del ciclo termodinámico Atkinson. Desconexión del motor de gasolina cuando no es necesaria su participación. Control más eficiente del aire acondicionado. Mayor aislamiento térmico del interior. Dirección asistida eléctrica. Uso del calor generado por la batería. Los componentes principales del vehículo: de combustión interna (gasolina). eléctrico (MG2); unido directamente a las ruedas a través de la corona del PSD suministra par para el accionamiento del vehículo; también actúa como generador durante el frenado regerativo, cargando la batería HV. Generador eléctrico (MG1); genera electricidad para recargar la batería HV (consumiendo energía del motor de combustión) y alimentar al motor eléctrico (MG2), también actúa como motor de arranque del motor de combustión en cualquier momento. Batería HV; de níquel metalo hidruro (Ni-MH), con 38 módulos de 6 elementos x 1,2 V proporcinando en total 273,6 Voltios PSD (power split device, mecanismo repartidor de energía) Inversor, Convertidor y otros sistemas auxiliares. El vehículo se ha concebido como un híbrido serie + paralelo, de forma que el motor eléctrico y el motor térmico actúan en forma serie (Figura 2) o en forma paralelo (Figura 3) según las necesidades de propulsión. A continuación ofrecemos una breve descripción de los componentes más relevantes, pudiendo encontrarse en la referencia {1} una colección más amplia de diapositivas. de combustión interna de inyección de gasolina, 1496 cc de cilindrada, cuatro cilindros en línea, 16 válvulas y distribución por cadena. Desarrolla una potencia máxima de 53 kw a 4500 rpm, siendo ésta su velocidad máxima. El par máximo de 115 Nm lo tiene a 4200 rpm y su relación de compresión es de 13:1. Funciona bajo ciclo termodinámico de Atkinson 6 {3}{4}, con el que se puede alcanzar una alta relación de compresión y por tanto un mejor rendimiento termodinámico, además de permitirse un retraso en el cierre de las válvulas de escape. Este ciclo NO se utiliza para mejorar la entrega de potencia (max), ya que en este vehículo contamos con el motor eléctrico. Otras características de este motor son: VVT-i (Variable Valve Timing Intelligent): Mejora la entrega de par a medio y bajo régimen. Mejora la economía de consumo. Reduce las emisiones (EGR integrada). Disminuye las vibraciones al arranque y parada. 6 El ciclo Atkinson (James Atkinson, UK, 1886) es un ciclo de cuatro tiempos, de explosión, similar al de Otto, que difiere de éste en la cinemática de la transmisión del movimiento desde el pistón al eje de salida, posibilitando que la carrera de admisión sea más corta que la de explosión o trabajo, con lo cual se obtiene un mayor rendimiento, aunque menor potencia. Igualmente el ciclo Atkinson puede permitir la realización del ciclo de cuatro tiempos por cada vuelta de giro del cigüeñal. 10 anales de mecánica y electricidad / marzo-abril 2004

6 Figura 6 Figura 7 Kw 60 Prius 1NZ-FXE (Ciclo Atkinson) convencional Par N-m Potencia Presión del cilindro Carrera de expansión Inicio de la Conpresión 10 Volumen del Cilindro Velocidad del motor (rpm) Carrrera de Compresión Engranajes Satélites del mecanismo repartidor de energía PSD MG1 Figura 9 Rueda central Corona anular MG2 Cadena MG1 MG2 Soporte Planetario Figura 8 (+) 0 Rueda Central (MG1) Figura 10 Soporte () Corona Anular (MG2) Las Figuras 6 y 7 muestran respectivamente las curvas características del motor (parrpm y potencia-rpm) y el diagrama p-v del ciclo termodinámico de Atkinson comparado con el de Otto. En la Figura 8 puede verse una fotografía del conjunto motor térmico, generador eléctrico (MG1), motor eléctrico (MG2) y mecanismo repartidor de energía (PSD y satélites) Mecanismo Repartidor de Energía (PSD) Es el mecanismo planetario (rueda central, corona anular, soporte planetario con sus satélites, Figura 9) encargado de combinar mecánicamente las potencias desarrolladas por los motores térmico y eléctrico en orden a conseguir que: Ambas se sumen para el accionamiento del vehículo (híbrido paralelo) El motor térmico únicamente se emplee en generar energía eléctrica (híbrido serie). El motor eléctrico sirva de motor de arranque del motor térmico. El generador eléctrico pueda actuar recuperando la energía de frenada. Nótese que el motor eléctrico es el motor de accionamiento principal, y siempre estará actuando cuando el vehículo demando energía. El motor térmico es auxiliar. En el diagrama de la Figura 10 las ordenadas representan las rpm de cada uno de los tres elementos esenciales del sistema planetario (PSD): rueda central, soporte portasatélites y Nuevos desarrollos en automoción y transporte (IV/IV) 4ª Parte. Los vehículos hibridos. Situación actual y evolución previsible 11

7 (A) Figura 11 RPM RPM Electric RPM generation Sun Gear Figura 12 output Carrier Accelerate Ring Gear corona auxiliar, quedando representada la demultiplicación entre las velocidades de estos elementos por la distancia horizontal entre entre las líneas verticales. Así y con ayuda de este diagrama explicaremos algunas características del funcionamiento del vehículo. Arranque suave (Figura 11): El motor eléctrico mueve el vehículo sólo gracias a la energía suministrada por la batería HV. Ahora funciona como un vehículo eléctrico. El motor térmico podrá estar parado o en funcionamiento, dependiendo del estado de carga de la batería HV, a la cual atiende exclusivamente (C) (B) RPM RPM Electric RPM generation engine output C Accelerate Conducción normal (Figura 12): Tanto el motor eléctrico como el de gasolina mueven el vehículo (y aportan par al generador eléctrico). El par desarrollado por cada uno a sus respectivas velocidades son aportados a la tracción del vehículo y al generador a través del PSD. (C) (B) (A) Sun Gear Figura 13 generation Sun Gear D engine output Carrier Carrier Ring Gear RPM RPM Electric RPM Accelerate Ring Gear Aceleración (Figura 13): La potencia demandada es atendida por el motor eléctrico, el cual a su vez requiere mayor intensidad de la batería HV, la cual interviene incrementando el suministro de electricidad al motor. Cuando la carga de la batería disminuye, se interrumpe este suministro. El generador eléctrico aumenta su velocidad aportando más energía que en ultima instancia es atendida desde el motor térmico. Deceleración (Figura 14): El sistema actúa como freno regenerativo. El motor eléctrico comienza a trabajar como generador para aumentar la carga de la Batería HV. Referencias Figura 14 (A) [1] Directiva 2000/53/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 18 de septiembre de 2000, relativa a los vehículos al final de su vida útil. [2] RD 1383/2002 de 20 de diciembre sobre gestión de vehículos al final de su vida útil (BOE de 3 de enero de 2003). {1} {2} ( {3} {4} {5} {6} 1_5_01b.pdf 12 anales de mecánica y electricidad / marzo-abril 2004