¿Es tan alto el costo de la protección ambiental?

La industria automotriz y todos sus asociados, como la industria petrolera, han realizado un gran esfuerzo, disponiendo recursos humanos y económicos para desarrollar vehículos rayanos en la sofisticación.

Para el público en general pueden parecer humildes o insignificantes los ahorros de combustible del orden del 3 o 5%, pero son muy importantes para la economía nacional y como concepción ecológica, porque llevan adisminuir el efecto invernadero.
El cumplimiento de las normas ambientales y la mejora en la Economía de Combustible son las directrices fundamentales para la definición de la performance en toda la industria automotriz.Todos los diseños de motores, transmisiones, diferenciales, carrocerías aerodinámicas, componentes con peso reducido, etc. han observado estos parámetros como bases prioritarias, o ideas generadoras de nuevos conceptos constructivos.

Sin embargo se oyen, de tanto en tanto, fuertes críticas porque se siguen usando los motores alternativos, señalándolos como retrógrados o fruto de connivencias entre petroleras y automotrices…y están quienes piensan que en realidad se ocultan las verdaderas innovaciones mecánicas de “fabricantes y científicos independientes” por motivos económicos. Pero sería imposible enumerar tantas alternativas de vehículos,desde los híbridos a los eléctricos “puros”: pero son todos desarrollos a implementar en unos 4 a 10 años, aun considerando el fuerte impulso y gran expectativa que despiertan.

Si volvemos a los motores alternativos, podemos decir que su liderazgo se basa en la magnífica capacidad para iniciar la reacción a altísimas presiones y temperaturas; y luego la combustión se desarrolla en la cámara de combustión perfectamente hermética. Esto es gracias a la eficiencia de sellado que realizan el paquete de aros de pistón y las válvulas. En este aspecto fundamental han fallado los motores rotativos y las turbinas de gas, que no logran “adaptarse al tamaño” del uso vehicular.

Por eso se explica la renovada apuesta de los fabricantes de motores alternativos, concretando evoluciones increíbles.
Siempre me gusta remarcar que hace 30 años, teniendo en cuenta los límites de emisiones tóxicas previstos para las décadas posteriores, se presuponía la desaparición del motor diésel de servicio pesado y que todo el parque debería ser naftero…pero las innovaciones tecnológicas los llevaron a ser más “limpios” que muchos nafteros.

Además en un punto se unen los objetivos de emisiones y economía, porque la ecología manda no solo tener cuidado de los gases nocivos que afectan a los seres vivos ni bien salen del escape, sino que se ha entendido mejor el gran riesgo del efecto invernadero. Así, el anhídrido carbónico CO2, que no nos daña inmediatamente (lo tomamos en las gaseosas), contribuye al calentamiento global. Y las cantidades de este gas lanzado a la atmósfera son proporcionales al consumo de combustible. De alguna manera, esto facilita “vender” la idea de estos cambios muy profundos en las máquinas, puesto que el ahorro de combustible es un atractivo para el día a día, para el recuento de ganancias inmediatas.

Sin duda es una audacia tratar de resumir ahora cuáles fueron las modificaciones principales que contribuyeron al aumento de la eficiencia y el menor consumo de combustible de los motores diésel de servicio pesado. Este es el intento y hago una invitación para discutirlo, recuerden que nunca terminamos de aprender de “los fierros”. Por supuesto que la adopción de las soluciones puede haber ocurrido más temprano en algunos fabricantes, o fueron contemporáneos.

Las cuatro válvulas por cilindro permitieron centrarel inyector en la cámara. Es un concepto simple pero significa un salto gigante para incrementar la eficiencia, con una inyección simétrica en sentido radial. Podríamos arriesgar a decir que las cargas sobre el pistón son más parejas y así se reducen las vibraciones. También permitió diseñar mejor los conductos de la admisión y lograr un mejor llenado, conjuntamente con los nuevos y simétricos diseños de cabezas de pistón: lograron el ingreso del aire en forma de espiral descendente (conocido como “swirl”).

El aumento de la presión de inyección ha sido un objetivo permanente y se lograron avances en función de la precisión mejorada en las piezas de bombas y toberas de inyección; y hasta tuvo que “colaborar” el combustible, puesto que las altas presiones hacen que el azufre se transforme en un elemento activo y corrosivo, dañando todas las superficies. Fueron los tiempos en que el azufre pasó de ser “apreciado” por sus cualidades de aditivo antidesgaste natural (con presiones bajas en todo el sistema de inyección) a ser “maldecido” por su agresividad porque las presiones del orden de los 1000 Kgf/cm2 ya lo activaron químicamente. Este efecto tan directo sobre la vida del motor, sumado al hecho de que compuestos de azufre son una parte importante del material particulado (PM) y que además el azufre “envenena” a los catalizadores diésel de oxidación, a los filtros de partículas diésel y a los catalizadores selectivos de reducción (SCR)decretaron su eliminación de los combustibles diésel. Las inversiones fueron y son enormes para la industria petrolera ylas leyes han establecido plazos ya cumplidos en los países del norte y con programas de implementación en nuestro país.
Los sistemas de inyección han llegado a un máximo de presión con los Inyectores-Bomba y el Common rail, y no son extraños valores de pico de 2100 Kgf/cm2, niveles totalmente incompatibles con diésel de alto azufre. Las construcciones preferidas de toberas son las de múltiples orificios y muy pequeños, con lo cual se pueden generar spray de gotitas muy pequeñas, y se favorece su quemado.

Un actor de aparición relativamente reciente es el Biodiesel, que al ser más viscoso y tener mayor tensión superficial y mayor densidad que la del gas oil, hace más difícil la pulverización, produce gotas más grandes que tardarán más en quemarse y viajarán una mayor distancia dentro del cilindro: pegan en la pared de la camisa, superan al laberinto de aros y ranuras de pistón y pasan como líquido al cárter. El resultado nefasto es una mayor dilusión del aceite. Pero quizás sea más importante el daño que provoca la pobre estabilidad del biodiesel: tiene gran tendencia a carbonizar las toberas, y me remito a pruebas de envejecimiento realizadas con un sistema common rail, con B10 (es decir 10% de biodiesel en el combustible diésel) allá por 2010, cuando parecía irrealizable la comercialización de esta mezcla en Argentina. En las figuras siguientes vale la pena apreciar el diámetro de los orificios de 100 micrones (son ocho en la corona de la tobera).



En el ensayo se midió una caída de potencia de 15% en un período de ciclado de 50 horas…Parece mentira que un gran recurso tecnológico como un motor diésel con altísima tecnología de inyección pierda así su performance. Este es el costo de la protección ambiental. Hoy no somos capaces de ponerle precio al ahorro de combustible fósil. Estamos preservando un 10 % de los recursos naturales para el futuro, para nuestra descendencia…

Yo creo que vale la pena que nos esforcemos en nuestras prácticas de mantenimiento, que utilicemos los mejores lubricantes, con depurada cantidad de aditivos para soportar en el cárter más biodiesel, que agota a los antioxidantes y a los antiácidos (TBN) y forma cristales a temperaturas más altas, lo cual puede entorpecer el arranque.

Por otro lado es continuo el desarrollo de los aditivos antioxidantes del diésel Euro, para que no se carbonice tanto en las toberas, no se degrade en lacas y barnices en el tanque, y por supuesto los detergentes sin cenizas y dispersante controlen el tamaño de las partículas degradadas.

Hoy el sistema de aditivos de Axion Euro Diesel+ consiste en una adecuada selección de componentes, con un equilibrio, un balance que permite la operación de cada uno sin interferir en la de los demás. En la figura se ve un resumen de aditivos y sus funciones; el sistema patentado de Axion energy se denomina Protech.

La electrónica también avanzó a pasos agigantados, como en todos los ámbitos de la tecnología, así también como los sensores e interfaces. De allí derivan las facilidades para disponer de múltiples inyecciones, dejando muy atrás aquellos logros de hacer una primera inyección piloto y luego la inyección principal. Diríamos, con un poco de desparpajo, que se ha llegado casi al dominio total del fuego. Se optimiza la erogación de la potencia y se minimizan las emisiones tóxicas.

En lo que respecta a los turbos, vemos que ya son un clásico en los vehículos de servicio pesado y maquinaria del campo, la construcción y la minería. Hay una gran diversidad de soluciones que buscan anular el defecto de performance a bajas rpm, y ya casi no se nota el “acople” del turbo o momento en el cual empieza a erogar buena potencia. La más clásica es la “válvula de derivación”…no, queda muy feo en español, es más conocido como WasteGate, el concepto es trabajar con un turbo más chico que gire bien con los pocos gases de bajas rpm, y luego cuando el motor está a pleno, se abre el wastegate y los gases sobrantes pasan directamente al escape. Una variante con un costo mucho mayor es la de los turbos en serie, donde uno más pequeño trabaja mejor a más bajas vueltas y a plena carga aportan ambos.

Hoy, al margen del uso muy difundido del enfriador o intercooler,están apareciendo cada vez más turbos con geometría variable (VGT),joyitas de la mecánica, donde el flujo de gases es dirigido para que impacte con más o menos velocidad sobre la turbina, recurriendo para ello al direccionamiento de los álabes de la corona estática. Otra variante es la que desarrolló Cummins (su división Holset) con un tabique desplazable.

Los puntos que hemos visto son conceptuales para aumentar la potencia y bajar el consumo, pero aplicarlos también tiene su costo.
El pistón ha debido adaptarse, en geometría y estructura, a los mayores esfuerzos y temperaturas. Aquí vemos esquemáticamente su evolución.

Cuando aumenta la presión de pico dentro de la cámara de combustión deben cambiarse los materiales. Vemos que el clásico aluminio empezó a ser desplazado ya a mediados de los ’80. Ya el pistón articulado, con cabeza de acero forjado y falda de aluminio, tenía antecedentes de aquellos verdaderos maestros del diseño de Detroit Diesel, y se usaron en motores diésel de dos tiempos de ferrocarril. Se hizo más popular y hasta Caterpillar lo adoptó. Las paredes se adelgazaron gracias a la mayor resistencia del acero y prácticamente no aumentó el peso total del pistón.

Cuando se superaron los 220 bar de presión de pico en la cámara de combustión se hizo conveniente usar pistones de acero, completos. Una generación de ellos consiste en una sola pieza forjada, que requiere el cierre de los conductos de refrigeración de la cabeza con placas insertadas. Hemos tenido algunas experiencias de fallas con desprendimiento de estas placas, en motores de generaciónde energía, en la industria minera.

La alternativa superadora es la que llega a soportar los 250 bar, y tiene la refrigeración de la cabeza con una cámara anular. Lo impactante de este diseño, típicamente de Federal Mogul, es que el pistón se hace en dos piezas de forja, y luego se las une con un proceso de soldadura por fricción. Realmente el proceso debe ser 100% confiable y preciso. Una joya de la tecnología.

El siguiente paso es cómo evacuar bien el calor que recibe la cabeza del pistón. En este sentido el acero es inferior al aluminio, y para compensar ese déficit se recurre a paredes más delgadas, y la ya mencionada cámara anular: el desafío consiste en tener por un tiempo al aceite sacudiéndose en su interior y luego drenar. Una variante de la circulación con la que recientemente hemos hecho contacto es el llamado pistón Unikool, que genera una especie de movimiento helicoidal del aceite.

Estos diseños de pistón permiten que el aro superior o de fuego esté mucho más cerca de la cabeza, típicamente de pulgada. Realmente asusta porque estamos acostumbrados a “espesores” mayores. Esa ubicación les permite a los fabricantes bajar las emisiones y ahorrar combustible…
Otra vez, ¿Cuál es el precio de la protección ambiental? El uso de un lubricante de mayor performance: las temperaturas promedio son mucho más altas en ese aro de fuego y el aceite debe tener mayor resistencia térmica y poder de limpieza.

En ese sentido Mobil Delvac MX ESP 15W-40 (API CJ-4) es la mejor alternativa entre los minerales, pero sin duda alguna estos diseños buscan la paridad en excelencia, y es recomendable acudir a Mobil Delvac 1 ESP 5W-40

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