El precio del surtidor acaba de subir de nuevo. Miras fijamente la boquilla, haces cálculos mentales y te preguntas si es hora de deshacerte del motor de combustión interna para siempre. Tal vez se le pase por la cabeza la idea de cambiar su conductor diario por un vehículo eléctrico enchufable (BEV). Pero la ansiedad por el alcance es real. Quieres eficiencia. Quieres menores emisiones. No querrás estar atado a una estación de carga durante tres horas después de un viaje por carretera.
Introduzca el coche híbrido.
Es el término medio. Pero, ¿qué está sucediendo realmente bajo el capó para exprimir 20 o 30 millas adicionales por galón de un tanque de gasolina? ¿Un mejor kilometraje significa automáticamente una huella más limpia? ¿Y dónde encaja el híbrido enchufable en esta ecuación?
Estamos desglosando la mecánica del híbrido gasolina-eléctrico. Veremos cómo estos sistemas combinan fuentes de energía y cómo se puede impulsar uno para maximizar la eficiencia.
Energía de gasolina versus energía eléctrica
Un híbrido es literalmente un híbrido. Toma lo mejor del mundo ICE (motor de combustión interna) y lo combina con el tren de transmisión eléctrico. Para entender el compromiso hay que mirar los extremos.
El coche de gasolina:
1. El tanque de combustible contiene gasolina.
2. La gasolina alimenta el motor.
3. El motor hace girar la transmisión.
4. La transmisión hace girar las ruedas.
El coche eléctrico:
1. La batería almacena electricidad.
2. Las baterías alimentan el motor.
3. El motor hace girar la transmisión.
4. La transmisión hace girar las ruedas.
El híbrido intenta mantener la comodidad de repostar en una gasolinera al tiempo que reduce drásticamente el consumo de combustible de la primera opción. Es un equilibrio entre densidad de energía y par eléctrico.
La anatomía de un híbrido gasolina-eléctrico
Los híbridos no son sólo un motor de gasolina con una pequeña batería. Son sistemas complejos. Estos son los componentes principales que hacen que suceda la magia.
El motor de gasolina
Parece un motor estándar, pero está sintonizado de manera diferente. Los híbridos suelen utilizar motores más pequeños, a veces de cuatro cilindros, mientras que un V6 cabría en un automóvil convencional. Utilizan tecnología avanzada para quemar de forma más limpia y eficiente. El motor no siempre es el conductor principal.
El tanque de combustible
Aquí es donde importa la densidad de energía. La gasolina tiene un gran impacto en comparación con las baterías. Para almacenar la misma cantidad de energía que solo un galón de gasolina, se necesitarían alrededor de 1000 libras de celdas de batería. Ese peso es prohibitivo para la mayoría de los vehículos de pasajeros. El depósito de combustible sigue siendo la principal fuente de energía de largo alcance.
El motor eléctrico
Estos no son simples comienzos. Son unidades sofisticadas controladas por electrónica avanzada. Un motor eléctrico en un híbrido es una vía de doble sentido. Actúa como un motor, extrayendo energía de las baterías para ayudar a acelerar el automóvil. Pero también puede actuar como generador. Cuando sueltas el acelerador o pisas el freno, el motor invierte su función. Capta energía cinética y la devuelve a las baterías. Este es el frenado regenerativo en acción.
El Generador
A diferencia del motor de tracción, la única función de este componente es producir electricidad. Se encuentra principalmente en configuraciones híbridas en serie. No hace girar las ruedas directamente.
Las baterías
Estos almacenan la energía para el motor eléctrico. A diferencia del depósito de combustible, que sólo suministra energía, la batería híbrida puede recibir energía. El motor eléctrico devuelve energía durante la desaceleración y el motor de gasolina puede cargarla mientras conduce.
La transmisión
Aquí es donde los diseños divergen enormemente. Algunos híbridos utilizan transmisiones de engranajes convencionales. El Honda Insight, por ejemplo, utiliza una transmisión automática de varias velocidades. Otros, como el Toyota Prius, utilizan una arquitectura fundamentalmente diferente que combina el motor y la entrada del motor de forma continua.
Híbridos paralelos
En un híbrido paralelo, ambas fuentes de energía están conectadas a las ruedas. El motor de gasolina puede hacer girar la transmisión. El motor eléctrico también puede hacer girar la transmisión. Pueden trabajar juntos.
A bajas velocidades, el motor eléctrico podría hacer todo el trabajo. A velocidades de autopista o bajo aceleración fuerte, tanto el motor como el motor se activan simultáneamente. Es un enfoque sencillo. Obtiene los beneficios del torque eléctrico sin una configuración en serie compleja.
Híbridos de la serie
Los híbridos en serie funcionan de manera diferente. El motor de gasolina nunca impulsa directamente las ruedas. En cambio, actúa como un extensor de alcance.
El motor de gasolina hace girar un generador. Ese generador produce electricidad. Esa electricidad carga las baterías o alimenta el motor eléctrico que impulsa la transmisión. Es esencialmente un coche eléctrico con un generador de gasolina a bordo. Esta configuración permite que el motor funcione constantemente a sus RPM más eficientes, independientemente de la velocidad del vehículo, pero introduce pérdidas de eficiencia en el proceso de conversión.
La paradoja de la eficiencia de los motores más pequeños
El ingrediente secreto de una estrategia de rendimiento de un automóvil híbrido no es sólo agregar electricidad; se trata de hacer el motor de combustión interna más pequeño. Un automóvil convencional necesita un motor grande y potente para generar suficiente par para una aceleración rápida. Un híbrido cambia ese V-8 por una unidad compacta de cuatro cilindros o incluso de tres cilindros.
¿Por qué reducir el tamaño del motor aumenta la eficiencia? Todo se reduce a la física y la fricción. Un motor grande es pesado. Cada vez que aceleras o subes una colina, estás arrastrando ese metal extra. Dentro del bloque, los pistones y cigüeñales más grandes requieren más energía para moverse hacia arriba y hacia abajo. Una mayor cilindrada significa que se inyecta más combustible por carrera. Y no olvidemos los cilindros en sí: cada uno dispara y quema combustible incluso cuando el automóvil está en ralentí o en punto muerto.
Dos coches idénticos, motores diferentes. En la autopista a 65 mph, ambos necesitan la misma potencia para mantener la velocidad. Pero el motor más pequeño quema menos combustible sólo para funcionar por sí solo. Opera más cerca de su carga máxima, donde la eficiencia térmica es más alta, mientras que el gran motor avanza a RPM bajas e ineficientes.
Reducir la brecha de poder
Entonces, ¿cómo puede un motor pequeño seguir el ritmo de un Camaro ZL1? No es así. Y no es necesario.
En un automóvil tradicional, el motor está dimensionado para lograr el máximo rendimiento. Lo pisas en una rampa de autopista y el gran V-8 grita para proporcionar el máximo torque. Pero aquí está la dura verdad: la mayoría de los conductores utilizan esa potencia máxima menos del 1% del tiempo. El resto del viaje es desplazamientos, crucero y ralentí.
Los híbridos desvinculan el poder de la necesidad. El motor de gasolina está dimensionado para requisitos de potencia promedio : suficiente para mantener el automóvil en movimiento a velocidades de autopista. Cuando necesita incorporarse rápidamente o subir una pendiente pronunciada, el motor eléctrico se activa. Proporciona el torque instantáneo del que carece el pequeño motor de gasolina. Esta sinergia significa que el motor nunca tiene que sobredimensionarse para eventos excepcionales y de alta demanda.
Cinco tácticas para maximizar las MPG
Más allá del cambio de motor, los híbridos emplean tecnologías específicas para exprimir cada milla de un galón. Algunos son trucos de eficiencia estándar; otros son exclusivos de híbridos.
1. Frenado regenerativo: captar el calor residual
Cuando frenas, básicamente estás desperdiciando energía. La energía cinética se convierte en calor en las pastillas de freno y se disipa en el aire. En un híbrido, esa energía no se pierde.
El sistema utiliza frenado regenerativo. Cuando levantas el acelerador o pisas el freno, el motor eléctrico invierte su función. En lugar de extraer energía para hacer girar las ruedas, actúa como un generador. La resistencia frena el coche y al mismo tiempo carga la batería de alto voltaje. Estás capturando energía que de otro modo habría desaparecido.
2. Arranque y parada automáticos: acabar con el inactivo
El ralentí es un desperdicio de combustible. No se está haciendo ningún trabajo, pero el motor quema gasolina. Los híbridos con sistemas avanzados de arranque y parada apagan el motor por completo cuando el automóvil se detiene, por ejemplo, en un semáforo en rojo o en medio de mucho tráfico. En el instante en que sueltas el freno, el motor eléctrico o el motor de arranque se activa para reiniciar el motor suavemente. No se quema gasolina mientras el coche está parado.
3. Reducción de la resistencia aerodinámica
A velocidades de autopista, la resistencia aerodinámica es el enemigo. La función principal del motor no es mover el coche; está empujando el auto por el aire.
Los híbridos suelen presentar líneas de techo más bajas, paneles de bajos más lisos e incluso pasos de rueda cubiertos. Estas opciones de diseño reducen el área frontal y suavizan el flujo de aire. Menos resistencia significa que el motor no tiene que trabajar tan duro para mantener la velocidad, lo que mejora directamente la economía de combustible.
4. Neumáticos de baja resistencia a la rodadura
Los neumáticos estándar son un compromiso. Deben ser silenciosos, cómodos y con buen agarre bajo la lluvia o la nieve. No están diseñados para la eficiencia. Los coches híbridos utilizan neumáticos especializados de baja resistencia a la rodadura. Son más rígidos y suelen funcionar a presiones más altas. Esto reduce la flexión en las paredes laterales y la fricción en la zona de contacto, lo que permite que el automóvil ruede más con menos potencia.
5. Reducción de peso
El peso es el asesino de la economía de combustible. Un automóvil más liviano requiere menos energía para acelerar y menos energía para subir colinas. Los fabricantes utilizan materiales ligeros como aluminio, magnesio y plásticos compuestos en la carrocería y el chasis. Cada libra perdida se traduce en una ganancia leve pero acumulativa en millas por galón.
El latido del Prius
El dispositivo de división de potencia es el verdadero corazón del Toyota Prius. Tienes que respetar eso. Es una caja de cambios inteligente que conecta el motor de gasolina, el generador y el motor eléctrico en un solo nudo. Aquí es donde ocurre la magia. Permite que el coche funcione como un híbrido paralelo. El motor eléctrico puede impulsar el automóvil por sí solo, el motor de gasolina puede impulsar el automóvil por sí solo o pueden impulsar el automóvil juntos. Es flexible.
También actúa como un híbrido en serie. El motor de gasolina puede funcionar independientemente de la velocidad del vehículo. Simplemente carga las baterías o proporciona energía a las ruedas según sea necesario. Eso es eficiente.
El dispositivo de división de potencia también actúa como una transmisión continuamente variable. Esto elimina la necesidad de una transmisión manual o automática. Sin cambios. Sin pedal de embrague. Simplemente entrega de potencia suave. Finalmente, debido a que el dispositivo de división de energía permite que el generador arranque el motor, el automóvil no necesita un motor de arranque. Esa parte simplemente no existe.
El dispositivo de división de potencia es un conjunto de engranajes planetarios. Es complejo pero elegante. El motor eléctrico está conectado a la corona del conjunto de engranajes. También está conectado directamente al diferencial. Ese diferencial impulsa las ruedas. Entonces, cualquier velocidad a la que giren el motor eléctrico y la corona dentada determina la velocidad del automóvil. Física sencilla. Resultados potentes.
El corazón mecánico del sistema híbrido de Toyota es el dispositivo de división de potencia, un conjunto de engranajes planetarios que gestiona el flujo de energía entre el motor, el generador y el motor de tracción. No es una transmisión tradicional con marchas que cambian. En cambio, es un mecanismo continuamente variable donde el engranaje solar se conecta al generador y el portasatélites se conecta al motor de gasolina. ¿La corona dentada? Está ligado al eje de salida que eventualmente impulsa las ruedas.
Debido a que estos tres componentes están unidos mecánicamente, no pueden moverse de forma independiente. La velocidad de la corona es la suma de los movimientos de las otras dos. Tienen que coordinarse constantemente. Si uno acelera, los demás deben ajustar su rotación para mantener la física funcionando. Así es como el sistema controla la velocidad de salida sin un embrague o caja de cambios convencional.
Cuando pisas el acelerador desde parado, el motor de gasolina permanece apagado. El motor eléctrico y la batería hacen todo el trabajo pesado. El motor eléctrico está conectado a la corona dentada, por lo que comienza a girar inmediatamente, empujando el automóvil hacia adelante. Pero aquí está el truco: el portasatélites, unido al motor, está estacionario. El motor aún no está en marcha.
Dado que la corona gira y el portasatélites está atascado, los engranajes planetarios tienen que girar sobre sus propios ejes. Este movimiento giratorio hace girar el engranaje solar. El engranaje solar está conectado al generador. Entonces, al acelerar en modo eléctrico, el generador gira. Todavía no genera electricidad para la batería; simplemente gira para mantener el motor desconectado. El generador gira exactamente a la velocidad necesaria para cancelar el movimiento de la corona en relación con el portasatélites. Esto mantiene el eje del motor completamente quieto. Es un truco mecánico elegante.
Cuando el motor se enciende
Este modo únicamente eléctrico dura hasta alcanzar aproximadamente 40 mph (64 km/h). En ese momento, el sistema decide que es hora de incorporar el motor de gasolina a la mezcla. El generador cambia repentinamente su velocidad de rotación. Este cambio altera el equilibrio del conjunto de engranajes planetarios. La fuerza transmitida a través de los engranajes ahora hace que el portasatélites gire.
El portasatélites está bloqueado al cigüeñal del motor. Entonces, tan pronto como comienza a girar, el motor comienza a funcionar. Es una transición suave porque el tren motriz ya hace girar el motor antes de que se encienda. No se necesita un motor de arranque para poner el motor en movimiento; el sistema híbrido actúa como motor de arranque.
Una vez que el motor está en ralentí y en marcha, se estabiliza a una velocidad constante. El generador ahora cambia su velocidad continuamente para satisfacer las necesidades de potencia del motor de tracción y las ruedas. Esto permite que el motor funcione en su rango de RPM más eficiente, independientemente de qué tan rápido vaya el automóvil. El generador varía su velocidad para igualar la velocidad de salida con el motor eléctrico, asegurando que el motor no tenga que acelerar bruscamente.
Si pisa a fondo el acelerador, el motor eléctrico extrae corriente adicional de la batería de alto voltaje para proporcionar un aumento de par. Pero una vez que alcanzas la velocidad de la autopista, el auto funciona con una combinación de gasolina y electricidad. Toda la electricidad utilizada en esa etapa proviene del generador, que es hecho girar por el motor. La batería es esencialmente un amortiguador que almacena energía durante el frenado y la libera durante la aceleración.
¿Cuántos caballos de fuerza necesitas realmente?
Existe una enorme desconexión entre los caballos de fuerza que figuran en la insignia de un automóvil y la potencia realmente necesaria para mantener la velocidad en la autopista. La mayor parte de lo que hace un automóvil en la carretera utiliza sólo una pequeña fracción de su producción total.
Cuando circula a 96,6 km/h (60 mph) en una carretera plana, su motor lucha contra tres fuerzas principales:
- Resistencia aerodinámica. La resistencia del aire aumenta con el cuadrado de tu velocidad. Empujar por el aire requiere poder.
- Fricción mecánica. Esto incluye la resistencia a la rodadura de los neumáticos, la fricción en la transmisión, los ejes y las pinzas de freno.
- Cargas de accesorios. El compresor del aire acondicionado, la bomba de dirección asistida y los sistemas eléctricos obtienen energía del motor.
Para la mayoría de los sedanes modernos, superar estas fuerzas a 60 mph requiere menos de 20 caballos de fuerza. Entonces, ¿por qué los fabricantes fabrican motores de 200 caballos de fuerza? Porque necesitas esa reserva de potencia para rebasar, incorporarte a autopistas o acelerar al salir de las intersecciones. Ese momento de “piso a fondo” es el único momento en el que utilizas algo cercano a la producción total. Durante la mayor parte de la conducción, se utiliza un pequeño porcentaje de la potencia disponible.
Esta brecha de eficiencia es la razón por la que los híbridos son tan atractivos. Utilizan el motor eléctrico para manejar las demandas de baja velocidad y alto torque que de otro modo desperdiciarían combustible.
Consejos sobre kilometraje híbrido: conducción eficiente
El deseo de una aceleración rápida es enemigo de la economía de combustible. Probablemente hayas notado esto en el concesionario. Un automóvil con un motor más pequeño y menos potente a menudo tiene mejores índices de MPG en ciudad y carretera que un modelo idéntico con un motor turboalimentado o más grande. Más potencial de energía significa que se quema más combustible para crear ese potencial, incluso si no lo usa.
Para obtener el mejor kilometraje de un híbrido, no necesita un automóvil nuevo. Sólo necesitas hábitos diferentes. Los principios son los mismos que para cualquier automóvil de gasolina, pero el sistema híbrido amplifica las recompensas.
Conducir más lento
La resistencia aerodinámica es el factor más importante en la eficiencia de las carreteras. La fuerza de resistencia del aire aumenta dramáticamente con la velocidad. A 113 km/h (70 mph), la resistencia es aproximadamente el doble que a 81 km/h (50 mph). Duplicar la resistencia no duplica la potencia requerida, pero la aumenta significativamente. Mantener la velocidad baja, incluso de 5 o 10 mph, puede generar ganancias mensurables en MPG.
Mantenga una velocidad constante
Cada vez que aceleras, quemas energía para aumentar la energía cinética. Cuando frenas, esa energía se disipa en forma de calor. En un híbrido, el frenado regenerativo recupera una parte, pero no toda. Al mantener una velocidad constante, se minimiza la energía perdida en los ciclos de frenado y aceleración. El control de crucero ayuda, pero el pie suele estar mejor. Anticipe el flujo de tráfico y mantenga el pedal firme.
Evite paradas abruptas
Aquí es donde brillan los híbridos. Cuando frenas suavemente, el motor eléctrico actúa como generador. Resiste la rotación de las ruedas, lo que frena el coche y al mismo tiempo convierte la energía cinética en electricidad, que va a la batería. Cuanto más fuerte y rápido frenes, más se harán cargo los frenos mecánicos. Los frenos mecánicos convierten esa energía en calor y la desperdician por completo.
Si le das tiempo al motor eléctrico para que desacelere el vehículo, este recupera más energía. Esto también se aplica a los coches de gasolina, pero el efecto es más pronunciado en los híbridos porque la energía recuperada se puede utilizar directamente para la siguiente aceleración. Las entradas suaves no tienen que ver sólo con la comodidad. Se trata de eficiencia.
Fuentes
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