La mayoría de los esfuerzos para reducir la contaminación atmosférica adversa y los impactos climáticos de los vehículos actuales se centran en los automóviles y camiones ligeros que generalmente funcionan con gasolina. con estrategias que van desde la electrificación y el carpooling hasta los vehículos autónomos.

"Estas estrategias pueden ser una parte importante de la solución general, "dice Daniel Cohn, científico investigador de la Iniciativa Energética del MIT. "Pero también es cada vez más importante pensar en camiones de servicio pesado y mediano. Encontrar una manera de limpiarlos podría traer una mejora mayor en la calidad del aire en todo el mundo durante las próximas décadas".

Impulsado en gran parte por motores diesel, esos camiones son ahora el mayor productor de emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) en el sector del transporte, contribuyendo al ozono a nivel del suelo, problemas respiratorios, y muertes prematuras en áreas urbanas. Algunas estimaciones proyectan que el combustible diésel, que se utiliza tanto para camiones como para automóviles, se venderá más que la gasolina en todo el mundo en la próxima década. amenazando con aumentar aún más la ya grave contaminación del aire urbano, así como las concentraciones de gases de efecto invernadero (GEI).

Los motores diésel de servicio pesado de hoy proporcionan eficiencia de combustible y alta potencia, haciéndolos ideales para largas distancias, vehículos comerciales de alto kilometraje. Pero encontrar otra opción es fundamental, dice Cohn. "Necesitamos reemplazar los motores diesel por otros motores de combustión interna que sean mucho más limpios y produzcan menos gases de efecto invernadero".

Usando análisis de simulación por computadora, Cohn y su colega Leslie Bromberg, ingeniero de investigación principal en el Plasma Science and Fusion Center y el Sloan Automotive Laboratory, han diseñado un motor de gasolina-alcohol de reemplazo de tamaño medio que no solo debería ser más limpio, sino también de menor costo y mayor rendimiento, y podría introducirse pronto en la flota de vehículos en la carretera.

Reemplazo del diésel de servicio pesado

Dentro de los Estados Unidos, La presión sobre la industria del transporte por carretera para que se ocupe de las emisiones de diésel ha ido en aumento. En efecto, Las regulaciones esperadas en California requerirían que las emisiones de NOx de los camiones de servicio mediano y pesado se reduzcan en aproximadamente un 90 por ciento en relación con los motores diesel más limpios de la actualidad. que utilizan sistemas de tratamiento de gases de escape complejos y costosos solo para cumplir con la normativa vigente. En algunas partes del mundo como India y China, esos sistemas de limpieza no se utilizan generalmente. Como resultado, Las emisiones de NOx son aproximadamente 10 veces mayores, y llevarlos al nivel de las futuras regulaciones de California requeriría una reducción de alrededor del 98 por ciento.

En los Estados Unidos, algunos camiones han comenzado a cumplir con los estrictos límites esperados de NOx utilizando grandes motores de encendido por chispa (SI) alimentados con gas natural. Pero la adopción a gran escala de esos motores sería problemática. El almacenamiento y la distribución de un combustible gaseoso aumenta el costo del vehículo y plantea desafíos de infraestructura. y el uso de gas natural puede provocar un mayor impacto climático debido a la fuga de metano, un GEI con alto potencial de calentamiento global.

Para evitar los desafíos de lidiar con el gas natural, Cohn y Bromberg decidieron seguir otro enfoque:un motor SI de servicio pesado alimentado con gasolina. En general, Los motores SI de gasolina producen bajas emisiones de NOx. Guiados por sus modelos informáticos, Cohn y Bromberg tomaron una serie de pasos para aumentar la potencia y la eficiencia de ese diseño sin sacrificar sus beneficios de emisiones.

Durante el funcionamiento normal del motor SI de gasolina, el proceso de convertir la combustión de gases en par (fuerza de rotación) en las ruedas avanza sin problemas, hasta que existe la necesidad de una operación de alto par, por ejemplo, para tirar de una carga pesada a alta velocidad o cuesta arriba. Luego, Las presiones y temperaturas dentro del cilindro pueden aumentar tanto que los gases de combustión no quemados se enciendan espontáneamente. El resultado es golpe, que causa un ruido metálico y puede dañar el motor. La necesidad de prevenir los golpes tiene hasta ahora mejoras limitadas en la eficiencia y el rendimiento que serían necesarias para que los motores de gasolina compitan con los diésel.

Cohn y Bromberg lidiaron con ese problema usando alcohol. Cuando el motor SI está trabajando duro y, de lo contrario, se produciría una detonación, se inyecta una pequeña cantidad de etanol o metanol en la cámara de combustión caliente, donde se vaporiza rápidamente, enfriar el combustible y el aire y hacer que la combustión espontánea sea mucho menos probable. Además, debido a la composición química del alcohol, su inherente resistencia a los golpes es mayor que la de la gasolina. El alcohol se puede almacenar en un pequeño tanque de combustible separado, ya que el líquido de limpieza del escape se almacena en un vehículo con motor diesel. Alternativamente, podría proporcionarse mediante la separación a bordo del alcohol de la gasolina en el tanque de combustible normal. (Casi toda la gasolina que se vende en los Estados Unidos es ahora una mezcla de 90 por ciento de gasolina y 10 por ciento de etanol).

Con la preocupación por el golpe eliminado, los investigadores pudieron aprovechar al máximo dos técnicas utilizadas en los automóviles de pasajeros de hoy. Primero, usaron turbocompresor, pero a niveles superiores. La turboalimentación implica comprimir el aire entrante para que quepan más moléculas de aire y combustible dentro del cilindro. El resultado es que se puede lograr una potencia de salida determinada utilizando un volumen total de cilindro más pequeño. Y segundo, utilizaron una alta relación de compresión, que es la relación entre el volumen de la cámara de combustión antes de la compresión y el volumen después. A una relación de compresión más alta, los gases de combustión se expanden más en cada ciclo, por lo que se entrega más energía para una determinada cantidad de combustible.

Los investigadores también hicieron uso de una característica importante del motor SI de servicio pesado de bajo NOx alimentado por gas natural:asumieron que la mezcla de aire y combustible dentro de su motor contenía suficiente aire para quemar todo el combustible, no más, no menos. Esa operación estequiométrica permitió cambios importantes que no eran posibles en el diésel, que debe funcionar con mucho aire adicional para controlar las emisiones. Con funcionamiento estequiométrico, podrían utilizar un catalizador de tres vías para limpiar el escape del motor. Un sistema relativamente económico, el catalizador de tres vías elimina NOx, monóxido de carbono, e hidrocarburos no quemados de los gases de escape del motor y es clave para el bajo nivel de NOx logrado en los motores SI actuales.

Luego, dada la operación estequiométrica combinada con un mayor nivel de turbocompresión y una alta relación de compresión, los investigadores pudieron encoger todo su motor. El motor SI no contiene todo el exceso de aire que hay en un diésel, por lo que el volumen total de sus cilindros puede ser menor.

"Debido a esa diferencia, puede reemplazar un motor diesel con un motor SI aproximadamente la mitad de grande, "dice Bromberg.

Con esa reducción de tamaño viene un aumento en la eficiencia del combustible. En cualquier motor, el proceso de bombear aire a los cilindros y diversas fuentes de fricción reducen inevitablemente la eficiencia del combustible. Esas pérdidas de bombeo dependen del tamaño del motor. Hacer un motor más pequeño, y hay menos fricción y menos combustible desperdiciado.

Tomados en conjunto, el catalizador de tres vías de bajo costo y el tamaño total más pequeño ayudan a que el motor de gasolina y alcohol sea menos costoso que el motor diesel más limpio con un sistema de limpieza de escape de última generación. En efecto, según las estimaciones de los investigadores, el costo del motor de gasolina y alcohol más su sistema de tratamiento de escape sería aproximadamente la mitad del del motor diesel más limpio.

Poder, eficiencia, y consumo de alcohol

¿Cómo se compara el motor SI de gasolina y alcohol de tamaño medio con el diésel de tamaño completo más limpio de la actualidad en cuanto a eficiencia y potencia? Para responder a esa pregunta, Los investigadores utilizaron una serie de simulaciones sofisticadas de motores y vehículos y modelos cinéticos químicos desarrollados por Bromberg.

Para la comparación, utilizaron una versión ilustrativa de su motor basada en un motor de 6.7 litros que ahora se fabrica y podría, con modificaciones relativamente pequeñas, convertirse a la configuración de gasolina y alcohol. Su análisis asumió que la relación de compresión y el par motor eran aproximadamente los mismos en el motor SI de gasolina y alcohol 6.7 que en un motor diesel de 12 litros. Pero el motor SI puede funcionar mucho más rápido que el diesel. (La combustión es más rápida con el encendido por chispa que con el encendido por compresión que se usa en los motores diesel). Debido a la operación más rápida y al torque aproximadamente equivalente, el motor pequeño puede producir casi un 50 por ciento más de potencia que el diésel. Y mientras que el motor de gasolina-alcohol es algo más eficiente que el diésel a un par alto y menos eficiente a un par bajo, en general, el pequeño motor SI es tan eficiente como el diésel.

Sin embargo, como se requiere más torque, el golpe se vuelve más probable, por lo que se necesita más etanol. En el par más alto, aproximadamente el 80 por ciento del combustible total debe ser etanol para evitar golpes. Esa estimación genera preocupación:en los Estados Unidos, El etanol se usa ampliamente en una mezcla de baja concentración con gasolina, pero el etanol puro o una mezcla de etanol-gasolina de alta concentración pueden no estar disponibles o pueden ser demasiado costosos. Entonces, ¿cuánto etanol es probable que se requiera para un viaje determinado?

Como ejemplo, los investigadores consideraron un viaje de larga distancia, Vehículo de servicio pesado que requiere un par elevado la mayor parte del tiempo. Dependiendo de la relación de compresión, el etanol podría representar del 20 al 40 por ciento de su consumo total de combustible. A diferencia de, un camión de reparto puede funcionar con un par de torsión bajo la mayor parte del tiempo y funcionar bien con el etanol como el 10 por ciento de su combustible total durante un período de conducción.

"Estos niveles de consumo de etanol son factibles, "señala Cohn." Pero el sistema sería más atractivo para la gente si tuviera un caso en el que pudiera usar menos etanol ".

Una forma de reducir el uso de etanol sería diluir el etanol con agua. Usando el modelo de golpe, Cohn y Bromberg determinaron que la resistencia a los golpes es en realidad mayor cuando el agua constituye hasta un tercio del combustible secundario. "Y en algunos casos en los que no se necesita etanol como anticongelante, es posible que pueda correr solo con agua como fluido secundario, "dice Cohn.

Otro enfoque para reducir el consumo de alcohol, llamado aumento de velocidad, implica operar el motor a una velocidad más alta. Hacer funcionar el motor más rápido y ajustar el engranaje en la transmisión para aumentar la relación entre las rpm del motor y las rpm de la rueda hace posible utilizar menos par motor en el motor de gasolina para lograr el mismo par en la rueda que en el diésel. Según los cálculos de los investigadores, que la reducción del par motor podría reducir el uso de etanol durante un período de conducción a menos del 10 por ciento del combustible total consumido, una cantidad que podría suministrarse mediante la separación de combustible a bordo.

Reducir los impactos climáticos

Cohn señala un beneficio más del motor SI de gasolina y alcohol:un camino para reducir las emisiones de GEI.

"Un aspecto poco reconocido en la evaluación de los impactos ambientales de los vehículos de transporte es que las emisiones de GEI de los camiones en todo el mundo superarán las emisiones de GEI de los automóviles en algún momento entre 2020 y 2030, ", señala.

El motor SI de gasolina-alcohol se puede operar en un modo de combustible flexible donde usa solo alcohol puro si se desea. Ahora, mirando el ciclo de vida de los combustibles y asumiendo una eficiencia del motor comparable, El uso de etanol producido a partir de maíz mediante métodos de última generación genera aproximadamente un 20 por ciento menos de emisiones de GEI que el uso de gasolina o diesel. Incluso podrían producirse mayores reducciones en las emisiones de gases de efecto invernadero cuando los combustibles de etanol y metanol se produzcan a partir de la agricultura, silvicultura, y residuos municipales o biomasa especializada.

"Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de los camiones al encontrar una fuente alternativa de energía, por ejemplo, a través de la electrificación, podría llevar mucho tiempo, "dice Cohn." Pero si puede operar su motor parcialmente con etanol o completamente con etanol, esa es una buena forma de empezar de inmediato ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.