Los motores térmicos de combustión interna, que se basan en la energía térmica generada por la combustión de un combustible líquido o gaseoso, están siendo cada vez más cuestionados por sus emisiones contaminantes de salud pública y de efecto invernadero durante su uso. En muchos casos se contraponen a los motores eléctricos que utilizan la energía acumulada en baterías que han sido recargadas de la red pública, pero no es así y están condenados a entenderse.
Los motores térmicos tienen la ventaja de su mayor autonomía por el significativo menor peso y volumen del combustible que el de la electricidad acumulada en una batería para alimentar el motor eléctrico. En términos de energía acumulada, la gasolina tiene casi 40 veces más por kg que una batería de litio y unas 100 veces más por litro de volumen. Sin embargo, tienen el inconveniente de no poder arrancar directamente desde velocidad cero y de que su rendimiento efectivo es bastante menor en su uso real. El inconveniente de las emisiones de escape de los motores térmicos ha sido ya minimizado hasta valores insignificantes por las diversas tecnologías de combustión y postratamiento ya aplicadas en los vehículos actuales y eso no es esperable que evolucione más en el futuro. Sin embargo, la emisión de CO2 es todavía un hándicap a resolver cuando se usan combustibles de origen fósil, y por ello se sigue avanzando hacia combustibles de origen renovable como los biocombustibles que se mezclan con los de origen fósil o los puros que son ya una realidad en algunas estaciones de servicio, a los que se unirán en el futuro el hidrógeno y los ‘e-fuels’ combinándolos con CO2 capturado.
Los dos inconvenientes antedichos se minimizan al hibridarlos con motores eléctricos, lo que permite además recuperar la energía cinética del vehículo que se pierde en calor al frenar. Por eso el futuro de los motores térmicos va unido a la evolución de la hibridación eléctrica en la conducción, pero los motores térmicos para sistemas híbridos pueden utilizar combustibles de origen fósil, pero también indistintamente combustibles renovables como las nuevas gasolinas y gasóleo renovables, el biometano, los ‘e-fuels’ o el hidrógeno, por lo que su emisión neta de CO2 puede ser nula si por fin se aplica la medición de este gas en ciclo de vida y no solo en utilización.
Los actuales sistemas híbridos denominados ‘mild hybrid’ con baterías de 12 a 48 Voltios son una transición hacia los denominados ‘full hybrid’ con baterías de mucho mayor voltaje y mayor contribución del motor eléctrico en la tracción. Para mejorar el rendimiento efectivo de la propulsión, los motores térmicos del futuro van a continuar evolucionando ligeramente hacia lo que se llaman ‘motores dedicados’, es decir, diseñados especialmente para propulsar el vehículo coordinadamente con un motor eléctrico.
Para ello, eliminan todo lo que tiene que ver con el motor de arranque, pues arrancan directamente con la energización del motor eléctrico, eliminan el ralentí lo que facilita el diseño del sistema de distribución, de la inyección y de la refrigeración, funcionando el motor siempre por encima de una velocidad de rotación mínima, mayor que la de ralentí. Ello facilitará la optimización de sus variables operativas (velocidad de rotación y par motor) en una zona más estrecha de la curva característica del motor, lo que está permitiendo simplificar la variabilidad de la distribución y diseñar conductos y formas de la cámara de combustión adecuadas para media y alta carga. Pero al incluir los sistemas eléctricos, el inversor y la batería, que aportan un peso significativo al sistema, el motor térmico debe aligerarse en lo posible y por ello motores de menor cilindrada con turbo con ciclo Miller o sistemas de sobrealimentación eléctrica serán la tendencia de muchos fabricantes, aunque algunos mantendrán sus motores de mayor tamaño, pero con soluciones de buen rendimiento como el ciclo Atkinson (que es esencialmente el retraso al cierre de la válvula de admisión) para mejorar su eficiencia. La tendencia actual a desconexión de cilindros cuando no se demanden potencias altas del motor térmico se mantendrá como solución en los sistemas híbridos, pues su potencia ya no será el hándicap importante que era en los sistemas convencionales por la contribución del motor eléctrico en la aceleración y momentos de alta demanda de potencia. Otros avances del futuro como los asientos de válvulas por deposición laser tendrán como objetivo reducir el coste y tamaño de los motores, más que su potencia o rendimiento.
La utilización de sistemas de combustión diésel, con su evidente ventaja de rendimiento, no compensará en vehículos ligeros por su bastante mayor coste y peso. Por ello, la tendencia será usar motores diésel solo en sistemas de propulsión híbridos de potencia relativamente alta de uso muy continuado en coches o vehículos comerciales de gran tamaño, donde el tamaño y coste del tren de potencia no es tan significativo en relación al coste total del vehículo.
La construcción de los motores térmicos también evolucionará hacia conjuntos compactos que incluyen el motor eléctrico, el o los generadores eléctricos, incluso el inversor, en un único bloque o conjunto para reducir peso y coste. Las máquinas eléctricas se acoplan directamente al eje del motor térmico con caja de hasta 8 marchas o sistemas planetarios en híbridos tipo paralelo, o sin caja de cambios en híbridos tipo serie. Algunos desarrollos apuntan a motores térmicos con dos ejes de salida de potencia que accionan sendas máquinas eléctricas y planetarios para eliminar la caja de cambios, e incluso el diferencial accionado una rueda por cada lado con el motor central trasversal.
Por lo demás, no son esperables en el futuro evoluciones disruptivas o muy drásticas en los motores térmicos de vehículos con propulsión híbrida en serie, en paralelo o mixta. La I+D en motores térmicos no se ha detenido, pero se ha reducido significativamente. Los diseñadores de motores tienen claras y asumidas las limitaciones de rendimiento que el mecanismo biela-manivela y que los ciclos termodinámicos Otto o Diésel tienen y que valores mayores de 50% serán siempre insuperables para vehículos ligeros.
Quizá sí se pueda ver en el futuro alguna novedad disruptiva en motores térmicos de combustión interna para extensores de autonomía de vehículos esencialmente eléctricos de batería. En este sentido se está investigando el uso de motores tipo Wankel, pequeñas turbinas de gas y sistemas de generadores de émbolos libre, por su pequeño tamaño para potencias bajas, pues el rendimiento o el coste pasan a un segundo plano en la concepción general del vehículo por su poco coeficiente de utilización.
(Artículo de Jesús Casanova Kindelán, catedrático de Ingeniería Energética UPM y vicepresidente de la Comisión Técnica ‘CT2 Motores y Energías para movilidad sostenible’ de ASEPA)