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Generadores de alta eficiencia para vehículos híbridos
Un diseño de motor poco convencional está atrayendo la atención como una alternativa potencial a las pilas de combustible de hidrógeno o los motores convencionales en algunos vehículos híbridos. Llamado motor de pistón libre, podría usarse para generar electricidad de manera tan eficiente como las celdas de combustible, pero a un costo menor.
Potencia del pistón: En un diseño de motor poco convencional, una varilla con un pistón en cada extremo se desplaza entre dos cámaras de combustión. Los imanes en el centro de la varilla se mueven más allá de las bobinas de metal (naranja) para crear una corriente eléctrica.
Los motores de pistón libre no son nuevos: se inventaron en la década de 1920. Pero el creciente enfoque reciente en los automóviles híbridos ha llevado a un número creciente de grupos de investigación y fabricantes de automóviles a iniciar programas de investigación para desarrollar la tecnología. A diferencia de los motores convencionales, no existe una conexión mecánica entre el pistón y el cigüeñal (de ahí el nombre de pistón libre). Dado que el diseño permite una combustión mejorada y menos fricción, los motores podrían ser mucho más eficientes en la generación de electricidad que los generadores convencionales o la nueva tecnología de celdas de combustible.
Tener una forma económica y eficiente de generar electricidad se está volviendo más importante a medida que los fabricantes de automóviles desarrollan vehículos eléctricos con generadores a bordo para recargar el paquete de baterías y extender el rango. Estos vehículos, llamados híbridos enchufables en serie o vehículos eléctricos de rango extendido, se venderán a partir de finales de 2010. (Haga clic aquí para ver una comparación de los diferentes tipos de vehículos híbridos y eléctricos). El primero utilizará generadores basados en motores convencionales. Pero los modelos posteriores podrían incorporar pilas de combustible u otros generadores no convencionales, como los motores de pistón libre.
La alta eficiencia potencial de los motores de pistón libre les da una ventaja sobre los generadores convencionales, y su capacidad para utilizar una variedad de combustibles es una ventaja sobre las pilas de combustible de hidrógeno. Es más, los motores de pistón libre no requieren materiales costosos como los catalizadores de platino necesarios en las celdas de combustible, por lo que también podrían ser más baratos.
Fabricantes de automóviles como GM, Lotus y Volvo han comenzado a investigar la posibilidad de utilizar dichos motores en vehículos futuros. Mientras tanto, en los últimos años, un número creciente de equipos de investigación académica ha comenzado a desarrollar los motores. Hasta ahora, la mayoría se ha centrado en simulaciones por ordenador. Una excepción es un grupo de investigación en el Laboratorio Nacional Sandia dirigido por el investigador de Sandia Peter Van Blarigan que ha estado probando componentes físicos de motores de pistón libre. Está ensamblando un prototipo completo de motor de pistón libre, un proyecto que espera completar dentro de un año.
En los motores de combustión interna convencionales, varios pistones están conectados a través de bielas a un cigüeñal que, a través de la transmisión, acciona las ruedas. Los motores de pistón libre eliminan el cigüeñal: los pistones no están conectados a nada. En cambio, dos pistones opuestos simplemente se mueven hacia adelante y hacia atrás dentro de una cámara. Para generar electricidad, los pistones podrían estar equipados con filas de imanes que pasan por bobinas de metal para crear una corriente eléctrica.
Los experimentos de Van Blarigan sugieren que estos motores podrían tener un 50 por ciento de eficiencia en la generación de electricidad, cerca de la eficiencia de las pilas de combustible de hidrógeno y mucho más eficientes que los generadores convencionales. Los motores de pistón libre son eficientes en parte porque tienen menos partes móviles que los motores convencionales. La configuración del motor también hace que sea práctico ajustar el motor para que el combustible en una cámara de combustión se queme muy rápidamente. La combustión más rápida permite que el motor produzca más trabajo con una determinada cantidad de combustible, mejorando la eficiencia. También puede mejorar las emisiones.
El diseño de pistón libre también puede permitir que el motor se optimice instantáneamente para diferentes combustibles, como hidrógeno, gas natural, etanol, gasolina y diesel. Idealmente, los conductores podrían usar cualquier combustible barato y fácilmente disponible.
Sin embargo, el desarrollo de los motores de pistón libre aún se encuentra en una etapa inicial. El pistón libre tiene algunas características únicas, simplicidad y compresión variable, que lo hacen intrigante, dice Gary Smyth , director científico del Laboratorio de Investigación de Sistemas de Tren de Potencia de GM. Pero [ellos] también plantean una serie de desafíos.
Van Blarigan dice que una de las principales preocupaciones es el sonido de los motores: las explosiones rápidas son muy fuertes y serán difíciles de amortiguar. Pero quizás el mayor problema sea el control. En un motor convencional, el movimiento de los pistones está limitado por las bielas y el cigüeñal, que ayudan a nivelar cualquier variación de un ciclo a otro. El motor de pistón libre es más flexible. Eso permite usar diferentes combustibles, pero hace necesario algún tipo de mecanismo de control activo para asegurar que cada ciclo sea el mismo: las variaciones podrían causar un bajo rendimiento y un aumento de las emisiones. Las computadoras de alta velocidad y la capacidad de controlar electrónicamente el movimiento del pistón en un generador de pistón libre (a través de bobinas e imanes) podrían ayudar a los ingenieros a resolver este problema.
No está claro si los motores serán significativamente más baratos y más eficientes que los motores convencionales, dice John Heywood , profesor de ingeniería mecánica en el MIT. Ha habido suficiente desarrollo para decir que funciona. Pero con geometrías de motor muy diferentes, es difícil determinar qué tan bueno es. ¿Es realmente mejor? A medida que avanza la investigación, será necesario responder preguntas sobre la eficiencia, las emisiones, el rendimiento y, especialmente, el costo, dice Heywood.
Mientras tanto, los motores de combustión interna convencionales siguen mejorando, lo que podría dificultar la implantación del diseño de pistón libre.