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¿Por qué no un SUV de 40 MPG?
Para tener una idea del progreso de la industria automotriz en la eficiencia del combustible, no busque más allá del Chevy Blazer 2002. El modelo con transmisión automática, seis cilindros y tracción en las cuatro ruedas obtiene 18 millas por galón (mpg), dos millas menos que un Blazer equipado de manera similar en 1985. De hecho, en esos 17 años, la economía de combustible promedio de toda la flota de Los autos y camionetas estadounidenses bajaron de 26 mpg a 24 mpg, en parte debido a la creciente proporción de vehículos deportivos utilitarios (SUV) que consumen mucha gasolina. Sin embargo, en marzo, cuando los cabilderos de la industria automotriz afirmaron que construir automóviles con mayor eficiencia de combustible sería demasiado difícil, el Senado de los Estados Unidos una vez más eliminó la legislación que elevaría los estándares corporativos de economía de combustible promedio del país. Era un baile familiar; El Congreso no ha elevado los estándares ni una sola vez durante esos mismos 17 años.
No es que las tecnologías automotrices no hayan mejorado; es que las mejoras se han orientado a entregar potencia, no eficiencia. Desde 1981, la industria automotriz ha aumentado la potencia en un 84 por ciento, lo que permite que los vehículos aceleren más rápido a pesar de que se han vuelto más pesados, según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Eso es lo que quieren los consumidores, dice Fritz Indra, director ejecutivo de ingeniería avanzada de la división Powertrain de General Motors. Cada año, los estadounidenses quieren un poco más de espacio en el interior, un poco más de poder.
Pero, ¿es realmente demasiado difícil construir un SUV a un precio razonable que pueda obtener 40 mpg y aún así brindar el rendimiento, la comodidad y la reducción de emisiones que esperan los consumidores? El hecho sorprendente es que existe una variedad de tecnologías de eficiencia de combustible en los laboratorios industriales y universitarios. Aún más sorprendente es que muchas de estas tecnologías se basan en el motor de combustión interna convencional. No requieren complejos trenes de propulsión híbridos de gas y electricidad como los que se encuentran debajo del capó del Toyota Prius y el Honda Insight. (ver Visualizar). Tampoco se basan en algo tan exótico como las pilas de combustible. Si la industria automotriz pone algunos caballos de fuerza corporativos detrás del movimiento de estas tecnologías en producción, y eso es un gran suceso, dada la falta de regulaciones de EE. UU. Y la demanda de los consumidores, las tecnologías de ahorro de gas podrían comenzar a llegar a las salas de exhibición dentro de cinco años. De hecho, si así lo quisiera, Detroit podría fabricar un SUV de 40 mpg para fines de la década.
Las ganancias provendrían en gran parte de tecnologías emergentes, como sistemas de control mejorados que minimizan las pérdidas de energía en el motor y la transmisión, así como componentes eléctricos eficientes, desde bombas de agua hasta válvulas de motor, que podrían reemplazar los sistemas mecánicos accionados por correa. Las tecnologías existentes, como las transmisiones avanzadas y los sistemas de inyección de combustible, también podrían desempeñar un papel clave si se adoptaran más ampliamente.
De hecho, si todos los automóviles nuevos y camionetas ligeras adoptaran tecnologías de ahorro de gas disponibles y emergentes, la economía de combustible promedio de los automóviles estadounidenses aumentaría a 46 mpg, frente a los 27 mpg actuales. Y los SUV podrían promediar 40 millas por galón, por encima de las 21 millas por galón de hoy, según un estudio reciente preparado en parte por John DeCicco, miembro senior de Environmental Defense, un grupo ambiental con sede en la ciudad de Nueva York. (El estudio fue coautor de Feng An, un experto en modelado del Laboratorio Nacional Argonne, y Marc H. Ross, un físico y experto en políticas automotrices de la Universidad de Michigan). Dos tercios del beneficio provendrían de la mejora del tren de fuerza. , y el resto provendría de reducir el peso y reducir la resistencia aerodinámica y la resistencia a la rodadura. Y aunque los precios minoristas de los vehículos subirían entre $ 1,000 y $ 2,000, según el modelo, los consumidores ahorrarían esa cantidad en la gasolinera dentro de cinco años. La industria no carece de tecnología, carece de prioridad, dice DeCicco.
Tales mejoras en el rendimiento de la gasolina tendrían un gran impacto en la dependencia del petróleo de Estados Unidos y el medio ambiente. Según la Unión de Científicos Preocupados, si el uso de combustible de la flota estadounidense mejorara a 40 millas por galón, la nación ahorraría dos millones de barriles de petróleo al día, el 75 por ciento de todo el petróleo que Estados Unidos importa de Oriente Medio. Y podría significar una disminución del 30 por ciento en los gases de efecto invernadero, principalmente dióxido de carbono.
Los fabricantes de automóviles, aunque no debaten la verdad esencial de tales números, dicen que las versiones confiables y asequibles de estos nuevos componentes y controles de software son más difíciles de implementar de lo que parece. Pero los fabricantes, aunque se caracterizan por mantener los labios cerrados sobre los planes de producción, han creado prototipos avanzados de estas tecnologías e incluso han instalado las primeras unidades en algunos vehículos. Debido a que muchas de estas tecnologías están disponibles y se basan en el motor de combustión interna, podrían tener un impacto tremendo en los próximos años. Aquí hay mucho potencial, dice John Heywood, director del Laboratorio Automotriz Sloan del MIT. Es nuestra mejor esperanza para seguir reduciendo las emisiones y el consumo de combustible de nuestra flota de vehículos en constante crecimiento.
Arranques rápidos
Una mayor eficiencia de combustible comienza con algunas ideas aparentemente simples, por ejemplo, apagar el motor para eliminar el desperdicio de ralentí cuando el automóvil no está en movimiento. Pero para que un motor se apague en cada semáforo en rojo, el vehículo necesitaría un dispositivo de alta potencia capaz de reiniciar el motor de inmediato, mucho más rápido que un motor de arranque tradicional, cuando el conductor aprieta el acelerador. Suena sencillo. Pero las primeras versiones eran generalmente demasiado lentas o demasiado ruidosas para mantener contentos a los conductores.
Eso está cambiando. Varios proveedores de automóviles han construido prototipos de generadores de arranque integrados, que reemplazan tanto el motor de arranque como el alternador, que son lo suficientemente rápidos como para arrancar el motor en menos de medio segundo. (ver El fin del ralentí, a continuación) . El gran problema es reducir los costos, dice Thomas Keim, un ingeniero eléctrico del MIT que dirige un consorcio de la industria del MIT sobre electrónica automotriz avanzada.
Ilustración de John MacNeil.
La mayoría de los diseños utilizan motores de inducción, que deben ser controlados por componentes electrónicos costosos que pueden cambiar rápidamente entre las funciones duales del generador de arranque de arrancar el motor y actuar como alternador para generar electricidad. Pero el consorcio del MIT ha desarrollado un generador de arranque con una versión más simple de la electrónica, lo que podría reducir el costo en un 20 por ciento. En el mundo del automóvil, una tecnología que es un 20 por ciento más barata tiende a sacar del mercado la opción más cara, dice Keim. Ford ha construido un prototipo del diseño del consorcio y ha completado las pruebas iniciales. Pero hay otro obstáculo: la dificultad de generar suficiente energía para que estos dispositivos sigan funcionando. El arranque rápido requiere mucha potencia. Como la mayoría de los demás generadores de arranque experimentales, el dispositivo MIT, construido en anticipación de un futuro en el que los automóviles emplean un estándar de voltaje más alto, opera a 42 voltios. El problema es que prácticamente todos los automóviles de hoy en día todavía usan un sistema de 12 voltios. (Las excepciones incluyen híbridos de gasolina y electricidad y un sedán Toyota de lujo de 42 voltios que se vende solo en Japón). En teoría, es posible conectar un generador de arranque a un sistema de 12 voltios, pero el generador de arranque es solo uno de un número creciente de sistemas avanzados. componentes eléctricos automotrices en tableros de dibujo de la industria. En conjunto, superan los límites del sistema. Algunos expertos de la industria dicen que el cambio de voltaje llevará años: reemplazar un sistema eléctrico completo, que en un automóvil nuevo generalmente cuesta tanto como el motor y la transmisión combinados, es una tarea costosa y compleja. Pero incluso sin un reemplazo completo, un enfoque provisional podría proporcionar un aumento de voltaje. Los fabricantes están elaborando formas de instalar sistemas de 42 voltios junto con los sistemas existentes de 12 voltios. El sistema de bajo consumo existente permanecería en su lugar y continuaría proporcionando electricidad a equipos familiares de trabajo ligero, como luces, radios, asientos eléctricos y motores de ventanas. El nuevo sistema de alta potencia solo serviría para equipos pesados, como generadores de arranque y compresores eléctricos. El sistema dual obviamente agregaría costos, dice Xingyi Xu, ingeniero del Laboratorio de Investigación Ford en Dearborn, MI. Los fabricantes de automóviles necesitarían ver ganancias considerables en la economía de combustible y las comodidades para el consumidor, dice, por lo que en este momento es difícil hacer esa justificación. Incluso si se justificara, tales sistemas tardarían al menos cinco años en llegar al mercado, dice Xu. Pero debido a que pueden proporcionar la energía necesaria para transformar el automóvil promedio de una máquina mecánica a una máquina electromecánica más eficiente, los sistemas de 42 voltios representan una tecnología habilitadora.
Software mejorado
Nuevos equipos, como potentes generadores de arranque, aumentarían la eficiencia del combustible. Sin embargo, un vehículo podría lograr ganancias aún mayores si todo el tren de fuerza se controlara electrónicamente.
Cada componente podría ajustarse continuamente para consumir la menor cantidad de energía necesaria a medida que cambian las condiciones de conducción y, lo que es igualmente importante, podría controlarse de forma integrada para ahorrar en todo el sistema. La eficiencia del combustible sería incluso mayor que la suma de los componentes, dice Frank Lohrenz, ingeniero eléctrico de Siemens VDO Automotive en Regensburg, Alemania.
Los ahorros pueden ser significativos. Los sistemas de control de software integrados podrían proporcionar un aumento del 10 por ciento en la eficiencia del combustible (ver The Networked Car, TR septiembre de 2002) . El software de Siemens, por ejemplo, optimiza la entrega de par, la fuerza de giro del tren de fuerza. Para hacer esto, el sistema registra electrónicamente qué tan lejos y qué tan rápido el conductor presiona el pedal del acelerador. Luego, a través del control electrónico de componentes mecánicos básicos como el motor, la transmisión y un futuro generador de arranque, entrega el par solicitado. La tecnología de Siemens tiene en cuenta 20 parámetros, incluida la velocidad del vehículo, la velocidad de rotación del motor y el engranaje de la transmisión, antes de decidir cuál es la mejor manera de entregar el par a partir de los esfuerzos combinados de estrangulamiento del motor, relación de transmisión y activación del generador de arranque.
Los ingenieros han considerado tradicionalmente cada componente como una unidad independiente, pero hay mucho interés en el control integrado porque es barato: el control integrado depende en gran medida del software y, por lo tanto, su aumento del 10 por ciento en la eficiencia del combustible tiene un costo relativamente bajo. Si un fabricante vende un millón de automóviles, dice Lohrenz, el costo podría ser menos de $ 5 por vehículo.
Motor digital
El avance más radical para mejorar el rendimiento de la gasolina se lograría al rehacer el motor en sí. Esto significa repensar la mecánica centenaria que abre y cierra las válvulas del motor, que permiten que una mezcla de aire y combustible ingrese a las cámaras de combustión y libere los gases de escape. Durante décadas, un árbol de levas ha realizado este trabajo. Un eje giratorio, mueve palancas que abren y cierran válvulas aproximadamente 100 veces por segundo en un patrón fijo.
La tecnología del árbol de levas funciona bien, pero desperdicia combustible. La configuración tradicional no proporciona ninguna forma de cambiar los patrones para entregar, por ejemplo, mucha potencia para acelerar en una carretera y reducir el consumo innecesario de combustible para ahorrar energía a velocidades de crucero en la carretera. Sin embargo, en los últimos años, los ingenieros han agregado equipos mecánicos al árbol de levas, lo que permite un mejor control de la válvula. Este control incluye, por ejemplo, la capacidad de abrir válvulas solo parcialmente cuando se necesita poca energía. Honda y BMW han desarrollado e instalado este tipo de sistemas de válvulas variables en muchos automóviles de producción, mejorando el ahorro de combustible entre un 5 y un 10 por ciento.
Pero el último movimiento hacia la optimización tira el árbol de levas. En cambio, los actuadores electromecánicos proporcionarían un control impulsado por software para cada válvula. (ver El motor sin cámara, a continuación) . Al proporcionar un control total sobre la sincronización, la elevación y la duración de cada movimiento de la válvula, un motor sin levas optimiza la entrega de potencia con la menor cantidad de combustible posible en cada velocidad de rotación del motor. La recompensa es enorme: un motor sin levas podría mejorar la economía de combustible entre un 10 y un 18 por ciento, al tiempo que aumenta el par del motor entre un 15 y un 20 por ciento a bajas velocidades para una aceleración más rápida.
Ilustración de John MacNeil.
El problema es que para evitar un desgaste excesivo y minimizar el ruido y la vibración del motor, las válvulas deben desacelerar antes de aterrizar. Un árbol de levas, aunque relativamente ineficaz, lo hace bastante bien, gracias a su forma ovoide, que produce una correspondiente aceleración y desaceleración en el movimiento de la válvula. Los actuadores son diferentes; golpean hacia arriba y hacia abajo, dentro y fuera. La forma de hacer que los actuadores sean tan suaves como los árboles de levas implica una combinación de hardware y software, y muchas empresas están trabajando en el problema. Anna Stefanopoulou, ingeniera mecánica de la Universidad de Michigan, ya ha diseñado varios esquemas de software prometedores. Durante el año pasado, el equipo de Stefanopoulou ha optimizado varios algoritmos y ahora está probando formas de utilizar la retroalimentación de las válvulas para lograr un movimiento de alta velocidad con aterrizajes suaves. Mientras tanto, para ayudar en este aterrizaje suave, Mohammad Haghgooie, un físico de Ford Motor, está probando resortes y amortiguadores neumáticos e hidráulicos para disminuir el impacto de las válvulas sin frenarlas. Si tienen éxito, estas mejoras en el software y hardware de válvulas electromecánicas podrían llevar al mercado un motor sin levas en 2008, dice Haghgooie.
Freno para el progreso
No todas las tecnologías avanzadas de ahorro de combustible se encuentran todavía en la etapa emergente. Incluso sin motores sin levas y software sofisticado, se encuentran disponibles diversas tecnologías para lograr una mejor eficiencia de combustible. La lista incluye la transmisión continuamente variable. A diferencia de las transmisiones automáticas actuales, que generalmente tienen cuatro relaciones de transmisión fijas que se colocan en su lugar una vez que la velocidad de rotación del motor aumenta a un cierto nivel, una transmisión continuamente variable ofrece una variedad infinita de relaciones de transmisión sobre la marcha. Una empresa holandesa patentó la tecnología hace décadas; ahora las patentes están caducando y la transmisión ya se está instalando en algunos modelos en los Estados Unidos. La recompensa puede ser grande: en el Saturn VUE 2002, la transmisión continuamente variable aumenta la economía de combustible entre un 7 y un 11 por ciento, según General Motors.
Las mejoras en la inyección de combustible también están en el estante, gracias a un avance reciente conocido como inyección directa de gasolina. Al reemplazar el motor tradicional de inyección indirecta con esta tecnología, el Volkswagen Polo 2002 ha mejorado la economía de combustible para conducir en la ciudad en un 13 por ciento. El beneficio proviene de explotar la dinámica de cómo se mezclan el aire y el combustible. En la configuración de inyección indirecta tradicional, el gas y el aire se mezclan fuera del cilindro y luego se inyectan. Con la inyección directa, el combustible y el aire comienzan a mezclarse solo cuando están dentro del cilindro, lo que permite que el motor use una mezcla de combustible ultraligera durante una conducción estable y de baja potencia.
Con todo, no hay escasez de tecnología disponible y casi lista para que la adopte la industria automotriz. Y, sin embargo, los SUV todavía obtienen un promedio de solo 21 mpg. Cuando se le pregunta por qué, Indra de General Motors cita argumentos familiares de la industria: las innovaciones son demasiado caras; los nuevos componentes agregan peso, negando beneficios. También dice que la reducción de peso, que, según el estudio de DiCicco, representa casi un tercio de la fórmula para aumentar el kilometraje, reduce la seguridad. Ese es el argumento que utilizó la industria como parte de su bombardeo de cabildeo para acabar con una legislación más estricta sobre eficiencia de combustible en marzo pasado.
Roland Hwang, un experto en vehículos del Consejo de Defensa de los Recursos Nacionales, un grupo ambiental con sede en la ciudad de Nueva York, dice que ese argumento es irresponsable. Afirma que los fabricantes de automóviles están alimentando los temores de los consumidores sobre la seguridad solo para persuadirlos de que compren vehículos más grandes, que, dice, generan las mayores ganancias. Señala que las pruebas federales y de la industria de seguros muestran que el historial de seguridad de los SUV es aproximadamente el mismo que el de otros automóviles. Incluso el gerente de análisis ambientales y energéticos de Honda America, John German, está de acuerdo en que si todos los vehículos pesaran 100 libras menos, no habría ningún impacto en la seguridad.
El punto más importante es simplemente que sin un mandato de Washington o del público, la industria automotriz tiene poca motivación para cambiar. Doug Patton, vicepresidente senior de Denso International America en Southfield, MI, pone el tema en perspectiva: ¿Qué exige el cliente? ¿Qué exige el gobierno? Así es como lo vemos.
Para los investigadores, esto es un discurso desalentador. Heywood, del MIT, dice que la mayoría de estas tecnologías han estado en desarrollo durante años. Si los fabricantes de automóviles quisieran, dice, podrían fácilmente hacerlos económicos y confiables. Las empresas de automóviles no dan suficiente crédito a sus ingenieros por ser capaces de resolver problemas prácticos, dice Heywood. Hasta que la dirección diga: 'Está bien, hagámoslo bien', la tecnología no pasa de un prototipo de desarrollo avanzado. Dar tales órdenes, agrega, no sucederá hasta que la gerencia crea que tiene evidencia de que la tecnología hará que el producto se venda en el mercado o creará un nuevo mercado.
Incluso si se aprueban nuevas y estrictas leyes de eficiencia, señalan otros, la historia reciente sugiere que la industria automotriz no accederá sin luchar. Los líderes de la industria lucharon contra los convertidores catalíticos. Lucharon contra los cinturones de seguridad. Dijeron que las bolsas de aire arruinarían la industria. Pero una vez que se pasan los requisitos, encuentran la manera, señala Hwang.
Por ahora, la industria automotriz todavía se contenta con llenar las salas de exhibición con perennes cerdos de gas. Pero las tecnologías más eficientes, y el software para controlarlas, están esperando ese impulso final hacia la producción en masa.