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Motores de Hidrogeno

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El Hidrogeno es el elemento ms abundante en el universo. Pero la mayora de los tomos del hidrogeno (H2) estn unidos

con otros tomos de carbono y/o oxgeno, si queremos tener solo tomos de hidrogeno tendremos que separarlos y para ello

necesitaremos gran cantidad de energa.

En la Tierra el hidrogeno se encuentra mayormente como agua (lquida, vapor, hielo) o combinado con otros elementos

formando compuestos como el metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).

La manera ms fcil y limpia de obtener hidrogeno es mediante la "electrlisis": se sumergen dos electrodos en agua, se

aplica electricidad y se obtiene gas hidrgeno del electrodo negativo y oxgeno del positivo. Pero la electrlisis slo es

econmica y limpia cuando la electricidad que se utiliza sea obtenida por medios que no contaminen el medio ambiente, lo que

quiere decir que no lo es tanto actualmente, ya que la mayora de la energa elctrica que se produce esta basada en la

combustin de combustibles derivados del petrleo, carbn, etc. Se llamara Hidrogeno "sucio" al generado por medio de

combustibles derivados de combustibles fsiles.

Sin embargo, el hidrgeno puro no es la panacea, pues presenta varios problemas. Para empezar, su produccin (la

electrlisis) es cara y contaminante, pues requiere mucho consumo elctrico y la electricidad actualmente se produce a partir

de fuentes de energa convencionales, como el petrleo, el gas o las centrales atmicas.

Algunos investigadores sugieren el empleo de la energa elctrica producida por energa elica, solar, hidrulica, etc, que es

limpia. Se podran colocar equipos de electrlisis al pie de estas centrales y aprovechar la electricidad excendentaria que

producen. Lo malo es que estas formas de generar energa todava son minoritarias para abastecer un futuro parque

automovilstico movido por hidrgeno.

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La otra forma de conseguir Hidrogeno en este caso el "sucio" seria a partir del proceso de "reformado" (suministrando calor) a

derivados del petrleo que tienen alto porcentaje de hidrogeno como citamos anteriormente: metano o gas natural (CH4),

metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).. Tambin se puede utilizar el proceso de "reformado" con

combustibles derivados de la Biomasa (Biogas, Bioalcohol), en este caso teniendo en cuenta el medio ambiente, el

aprovechamiento energtico de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance

de emisiones de CO2 a la atmsfera es neutro, ya que el CO2 generado en la combustin de la biomasa es reciclado mediante

la fotosntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su produccin y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2

presente en la atmsfera. Podemos decir que el "reformado" es mas barato que la electrlisis y en contra tiene, el ser mas

contaminante.

En la figura inferior se esquematiza la forma de obtener H2 a partir de combustibles fsiles, biomasa y agua, utilizando

procesos de reformado (suministrando calor) o electrlisis (suministrando energa elctrica). Desde el punto de vista ambiental,

el aprovechamiento energtico de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el

balance de emisiones de CO2 a la atmsfera es neutro. En efecto, el CO2 generado en la combustin de la biomasa es

reciclado mediante la fotosntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su produccin y, por lo tanto, no aumenta la

cantidad de CO2 presente en la atmsfera. En cambio, el carbono que se libera a la atmsfera al quemar combustibles fsiles

es el que est fijo a la Tierra desde hace millones de aos.

Motores de Hidrogeno: celdas de combustible http://www.mecanicavirtual.org/motores-hidrogeno.htm

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Celdas de combustibleLa celda de combustible es una membrana en la que se mezclan el hidrgeno y el aire de la atmsfera. De su unin surge una

corriente elctrica que sirve para mover un motor elctrico en el caso de los vehculos. El residuo de la reaccin es slo agua.

La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez y cientfico gals que demostr que la

combinacin de hidrgeno y oxgeno

generaba electricidad adems de agua y calor. El verdadero inters por la utilizacin de celdas de combustible como un

generador prctico vino hacia comienzos de los aos sesenta de nuestro siglo, cuando el programa espacial de los Estados

Unidos seleccion las celdas de combustible para proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo. Hoy

en da, la aplicacin espacial ya no es la nica de tipo prctico, puesto que las celdas de combustible estn atravesando por un

gran momento, al haber alcanzado una etapa tecnolgica que les permite estar en posicin de competir cada da ms con las

tecnologas convencionales de generacin elctrica, ofreciendo enormes ventajas sobre ellas, sobre todo en el tema

medioambiental.

Una celda de combustible es un dispositivo electroqumico que convierte la energa qumica de una reaccin directamente en

energa elctrica. Por ejemplo,

puede generar electricidad combinando hidrgeno y oxgeno electroqumicamente sin ninguna combustin. Estas celdas no se

agotan como lo hara una batera, ni precisan recarga, ya que producirn energa en forma de electricidad y calor en tanto se

les provea de combustible (hidrogeno). En la prctica, la corrosin y la degradacin de materiales y componentes de la celda

pueden limitar su vida til. La manera en que operan es mediante una celda electroqumica consistente en dos electrodos, un

nodo y un ctodo, separados por un electrlito. El oxgeno proveniente del aire pasa sobre un electrodo y el hidrgeno gas

pasa sobre el otro.

Cuando el hidrgeno es ionizado en el nodo se oxida y pierde un electrn; al ocurrir esto, el hidrgeno oxidado (ahora en

forma de protn) y el electrn toman diferentes caminos migrando hacia el segundo electrodo llamado ctodo. El hidrgeno lo

har a travs del electrlito mientras que el electrn lo hace a travs de un material conductor externo (carga). Al final de su

camino ambos se vuelven a reunir en el ctodo donde ocurre la reaccin de reduccin o ganancia de electrones

del oxgeno gas para formar agua junto con el hidrgeno oxidado. As, este proceso produce agua 100% pura, corriente

elctrica y calor til, por ejemplo, energa trmica.

Tipos de celdas de combustible

Las celdas de combustible se clasifican segn el tipo de medio conductor de la carga inica (electrolito) dentro de la celda.

Tambin se pueden clasificar segn la temperatura de trabajo a la que funcionen


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La celda alcalina utilizada por la NASA en los aos 60 empleaba como electrolito una solucin acuosa concentrada de hidrxido

de potasio. En los aos 70, la empresa DuPont desarroll un polmero conductor llamado Nafion. El esqueleto del Nafion es

similar al del polmero neutro conocido como tefln y, como este, posee una alta resistencia qumica y trmica. Las cargas

mviles positivas (M+) son protones que pueden moverse por el agua que absorbe el polmero y esto hace que la

conductividad de la membrana sea similar a la de un cido concentrado.

El Nafion se usa desde entonces como electrolito en electrolizadores y en celdas de combustible. Estas ltimas se denominan

celdas de combustible de "membrana de intercambio de protones" (PEM).

Existen otros tipos de celdas de combustible que no tienen electrolito acuoso. Ellas son las celdas de cido fosfrico (PAFC)

que utilizan el cido concentrado (exento de agua), las celdas de carbonato fundido (MCFC), que utilizan como electrolito una

mezcla eutctica de carbonatos de sodio, litio y potasio y las celdas de xido slido (SOFC), en donde el electrolito es un

cermico conductor de iones xido. Este tipo de celdas de combustible sobre todo las que trabajan a alta temperatura se

utilizan mas para la generacin estacionaria de electricidad, o sea, estaciones de generacin elctricas para suministro de

edificios de todo tipo y otros servicios. Para la utilizacin en vehculos y dems elementos mviles se utilizan las celdas del tipo

PEM (Membrana de Intercambio Protonico) mencionadas anteriormente.

Los grandes desafos

Una de los desafos que enfrenta los desarrolladores de vehculos a hidrgeno es debido a su gran densidad en estado lquido,

lo que lleva a tener un volumen superior a la gasolina llegando a ser un 400% mayor.

Todo esto compromete la autonoma del vehculo, pero nuevos avances en los diseos de los depsitos han ido aumentando la

autonoma.

Otro aspecto a tener en cuenta en la infraestructura disponible para surtir los combustibles a los automviles (estaciones de

servicio), sin embargo este ser un aspecto que el mismo mercado ir corrigiendo a medida de que el petrleo sea ms

escaso y caro.

Motores de HidrogenoCuando hablamos de motores a hidrgeno tenemos que distinguir bsicamente a dos tipos de motores, el basado en "celdas

de combustible" de hidrgeno que en s se trata de un "motor elctrico" que recibe electricidad de las propias celdas, y el

"motor de combustin interna", similar a los motores convencionales, que logran la fuerza motriz gracias a la ignicin del

hidrgeno dentro de la cmara de combustin.

Motor de hidrogeno de combustin interna


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Las celdas de combustible son todava caras y no son lo suficientemente fiables (tiempo de funcionamiento limitado). As que

hay fabricantes como BMW, Mazda, etc. que se han decidido por quemar el hidrogeno dentro de los motores de combustin

interna, estos motores son muy similares a los convencionales. El H2 es altamente inflamable y se quema en concentraciones

que van desde el cuatro hasta el 74 por ciento, produciendo algunos xidos de nitrgeno (NOx), pero slo algunas trazas

residuales de emisiones de dixido de carbono e hidrocarburos (debido a que quema la pelcula de aceite de las paredes de

los cilindros). El H2 se quema limpiamente, pero no a estndares de cero emisiones. BMW y Mazda creen que se podran

vender motores duales de combustible y H2 mientras se desarrolla la infraestructura de surtidores de hidrogeno en los pases.

BMW comenz a experimentar con motores de H2 en 1978 y ha construido flotillas de demostracin. Mazda ha mostrado

numerosos conceptos de motor rotativo (RX8s) de hidrgeno desde 1991.

Los BMW 750hL V12 que se construyeron en 2000 producan 201 CV con H2, llegando de 0 a 100 km/h en 9.6 segundos y

tenan una autonoma de 289 km con poco menos de 19L de H2 lquido. El nuevo Valvetronic V-8 genera 181 CV con

autonoma y desempeo similares. (Las variantes de gasolina de estos motores producen 326 y 325 CV, respectivamente.)

Mazda dice que su motor rotativo es inherentemente ms adecuado al funcionamiento con H2. Debido a que la entrada,

compresin y combustin suceden en reas distintas del rotor, la cmara de entrada permanece ms fra, lo que evita las

retroexplosiones. Tambin hay suficiente espacio para instalar dos inyectores directos de H2. El motor Renesis Hydrogen RE

produce 110 CV con H2 y 210 con gasolina.

BMW apoya la combustin de hidrgeno en motores convencionales; aunque es la ruta ms rpida a la economa de

hidrgeno, la eficiencia es menor, y la contaminacin, mayor al compararse con las celdas de combustible y el motor elctrico.

El uso de hidrgeno extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento, ya que no se acumula carbn en la cmara de

combustin ni en las bujas, y los gases resultantes son tan limpios que casi no se necesita cambiar el aceite del motor (slo

hay que rellenarlo peridicamente). Estos motores arrancan y funcionan bien a bajas temperaturas, son tolerantes al hidrgeno

"sucio" y seran comparativamente fciles de mantener. Ahse acaban las buenas noticias. Un estudio extenso de la Universidad

Kelo en Japn demuestra que la combustin interna de hidrgeno est entre las menos eficientes de todas las plantas motrices

de tecnologa avanzada, principalmente debido a la gran cantidad de energa que se requiere para producir y comprimir, o

licuar, el hidrgeno.

La ms reciente propuesta de BMW, es el Hydrogen 7, el primer automvil de hidrgeno de lujo que prcticamente no tiene

emisiones contaminantes y es apropiado para el uso diario, pero sobretodo con la ventaja de contar con un motor de

combustin bimodo de doce cilindros, que funciona tanto con hidrgeno como con gasolina convencional, convirtindose en un

automvil que puede funcionar sin estar pendiente del poder repostar hidrogeno en caso de falta de suministradores de este

combustible.

Con motor, chasis y carrocera basados en los sedanes BMW 760i, el Hydrogen 7 incorpora un motor de 260 caballos de

potencia, con el que es capaz de acelerar en 9,5 segundos de 0 a 100 km/h, y alcanzar una velocidad punta de 230 km/h,

limitada electrnicamente. Indicadores que demuestran que este combustible no merma el desempeo de vehculos de altas

prestaciones.

El motor de combustin bimodo del BMW Hydrogen 7 (figura inferior) es el resultado de un trabajo de desarrollo orientado al

futuro pero que ya se torna real. Este impulsor se basa en el propulsor de doce cilindros a gasolina de 6.000 cc,

VALVETRONIC, de la serie 7. El torque o par mximo es de 390 Nm, disponible a 4.300 r.p.m. La peculiaridad del motor V12

del BMW Hydrogen 7 consiste en que funciona de modo dual, lo que significa que sus doce cilindros pueden funcionar

indistintamente con hidrgeno o con gasolina, lo cual es posible gracias a una nueva tecnologa de control que garantiza la

misma potencia independientemente del tipo de combustible disponible en el depsito. Uno de los depsitos ofrece capacidad

para 8 kilogramos (unos 170 litros) de hidrgeno, y en un depsito convencional caben 74 litros de gasolina.


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Funcionando con hidrgeno, el BMW Hydrogen 7 puede recorrer ms de 200 kilmetros y otros 500 kilmetros con el sistema

de combustin convencional de gasolina, es decir que se pueden recorrer muchos kilmetros hasta llegar a la siguiente

gasolinera o a un surtidor de hidrgeno.

Este revolucionario automvil tiene casi nicamente emisiones de vapor de agua cuando funciona con hidrgeno, y la empresa

considera que en un futuro se podrn ofrecer vehculos con motores que nicamente utilicen hidrgeno.

En principio, al repostar no se diferencia de la utilizacin del depsito convencional de gasolina, pues tan solo hay que

asegurarse de un acoplamiento hermtico, que evita prdidas de presin y de fro. Este acoplamiento es similar al del surtidor

de gasolina, lo que significa que el usuario lo introduce en la boca del depsito aplicando una ligera presin. El bloqueo del

acoplamiento y el rellenado del hidrgeno se realizan de modo automtico. Para abrir y cerrar la tapa del depsito, el

conductor no tiene ms que pulsar una tecla que se encuentra en el tablero de instrumentos. El proceso de repostar concluye

en menos de 8 minutos.

El motor de combustin bimodo es ms alto debido a las vlvulas de inyeccin de H2. Utiliza vlvulas de inyeccin (inyectores)

especiales y un conducto de combustible de presin variable.

En el habitculo los cambios se ven en el tablero de instrumentos donde se encuentran indicadores nuevos relacionados con la

utilizacin de hidrgeno, como el smbolo H2, que se enciende cuando el motor est funcionando con hidrgeno, adems hay

un indicador en kilogramos del nivel del depsito de H2 junto al indicador de gasolina. Adems, la autonoma total y la reserva

disponible se indican por separado para el hidrgeno y la gasolina.

Las modificaciones que ms saltan a la vista en el habitculo se encuentran en la parte posterior, debido al montaje del

depsito de hidrgeno (figura inferior) debajo de la bandeja trasera y detrs del banco posterior.


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Diversas partes de la carrocera, especialmente desarrolladas para el del BMW Hydrogen 7, son de material sinttico

reforzado con fibra de carbono combinada con acero, de peso optimizado y, al mismo tiempo, ms resistente a los impactos.

Esta solucin compensa el mayor peso del motor y del sistema de alimentacin de combustible y cumple con los criterios de

seguridad especiales que plantea este innovador automvil. Entre otros, los bastidores laterales estn reforzados con este

material sinttico con fibra de carbono. De esta manera, ante un choque el comportamiento del BMW Hydrogen 7 es

exactamente igual al del BMW 760Li.

En cuanto a la seguridad, todos los componentes fueron concebidos de tal manera que cumplan con los estndares ms

estrictos. El depsito de hidrgeno lquido dispone del sistema de gestin del vapor de hidrgeno boil-off y, adems, cuenta

con dos vlvulas que permiten la salida controlada del hidrgeno al entorno, por ejemplo en caso de haber una presin excesiva

en el depsito (lo que puede suceder en caso de un impacto fuerte). El depsito como tal, pero tambin todos los dems

componentes que se ocupan de la alimentacin del hidrgeno al motor, son de doble pared.

Las funciones de seguridad, especialmente previstas para el BMW Hydrogen 7, consiguen detectar con antelacin cualquier

irregularidad y activar las funciones de proteccin correspondientes. Por ello, el usuario siempre se mantiene informado sobre

cualquier fallo en el sistema, aunque ste an no represente peligro alguno.

Actualmente no existen estndares, normas y leyes generales que determinen el uso de vehculos con motor de hidrgeno.

Tambin hay diferencias entre los reglamentos que se refieren al uso de garajes. Estas reglas varan de pas en pas, pero

tambin difieren los criterios aplicados por los propietarios de los estacionamientos pblicos. Para evitar confusiones, el BMW

Group no permite aparcar los vehculos movidos con hidrgeno en garajes cerrados. S est permitido conducir y aparcar en

espacios semicerrados, por ejemplo en estacionamientos pblicos o atravesando tneles. Tambin se admite el uso de tneles

de lavado y parar en garajes individuales no cerrados.

Motor elctrico con celdas de combustible

El fabricante Toyota ha logrado la homologacin en Japn de un vehculo hbrido alimentado por celda de combustible que

logra una autonoma de 830 kilmetros, frente a los 330 de la generacin anterior.

El nuevo vehculo, FCHV-adv (Fuel Cell Hybrid Vehicle-Advanced) ha sido homologado con la nueva celda de combustible, de

nuevo diseo y alto rendimiento, que an ser mejorada en una nueva fase de desarrollo.

El Toyota FCHV-adv ha sido probado rodando tanto a altas temperaturas como a bajas, a partir de los resultados

proporcionados por estas pruebas, Toyota ha perfeccionado el sistema de celda de combustible de este vehculo para mejorar

la autonoma y el arranque a bajas temperaturas, que haban frenado hasta ahora el uso generalizado de los vehculos de

celda de combustible.

La unidad esencial de celda de combustible es el conjunto de electrodos y membrana (MEA, en sus siglas en ingls), donde el


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principal problema para los ingenieros fue el agua que apareca en el interior y que interfera con la generacin elctrica dentro

del MEA a bajas temperaturas.

Se llev a cabo una importante labor de investigacin, que incluy pruebas de visualizacin interna, para comprender el

comportamiento y la cantidad del agua generada en la celda de combustible, lo que permiti a los ingenieros optimizar el

diseo del MEA para mejorar el arranque a bajas temperaturas.

Como consecuencia, el Toyota FCHV-adv puede arrancar y funcionar en zonas fras a temperaturas de hasta 30 grados bajo

cero, lo que significa que el vehculo se puede utilizar en una mayor variedad de condiciones y climas.

Ello llev a una mejora de la eficiencia del combustible en un 25%, gracias al nuevo rendimiento de la celda de combustible, el

perfeccionamiento del sistema de frenado regenerativo y la reduccin de la energa consumida por el sistema auxiliar.

Otras modificaciones introducidas en la versin avanzada del vehculo son la incorporacin de un control de degradacin del

catalizador del electrodo y la mayor duracin de la celda de combustible.

Los depsitos desarrollados por Toyota estn fabricados en composite, un material muy ligero y extremadamente resistente.

Adems, van forrados por dentro con un lienzo de nylon que evita cualquier filtracin del muy voltil hidrgeno. Este forro

permite que el depsito sea menos grueso, con lo que, en el de 35 megapascales, cabe hasta un 10 por ciento ms de

hidrgeno comprimido. As, la autonoma de los coches que empleen este tanque ser ms alta.

Con estas soluciones tcnicas, Toyota logra solucionar dos de los principales problemas que presentan los depsitos para

hidrgeno: la porosidad y el excesivo peso que se produce cuando se combate esa porosidad. Estos problemas,

especialmente el del peso, haca que, hasta ahora, los depsitos fuesen demasiado aparatosos y acabaran por lastrar las

cualidades dinmicas de los vehculos que los llevaban.

Toyota actualmente con los ltimos modelos ha conseguido depsitos de hidrgeno de alta presin a 70 Mpa, con los que el

vehculo puede recorrer unos 830 kilmetros sin repostar; es decir, ms del doble que el antecesor del Toyota FCHV-adv, el

Toyota FCHV.

En la figura inferior podemos ver la seccin de un Toyota FCHV-5:

En la parte trasera se pueden ver los depsitos de hidrogeno a alta presin y la batera secundaria.


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En la parte delantera se puede ver la celda de combustible, la unidad de control, y el motor elctrico.

Como conclusin se puede decir que Toyota apuesta por la celda de combustible, s, pero alimentada directamente por el

hidrgeno contenido en depsitos embarcados en el coche. Es decir, descarta otras alternativas, como el "reformado" de

combustible, que es la va que emplean otras compaas. Con el reformado de combustible, lo que se hace es extraer el

hidrgeno de la gasolina u otro hidrocarburo y enviar el hidrgeno arrancado a la clula de combustible. Este proceso, ms

barato, tambin es ms contaminante que el empleo de hidrgeno puro.

2007 MECANICAVirtual, la web de los estudiantes de automocin. Pagina creada por Dani meganeboy.Actualizada: 7 Enero, 2009 . Estamos on-line desde: 24 Febrero de 2001


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Vehculos hbridos

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Debido a los problemas que siguen teniendo los vehculos elctricos, escasa energa especfica que actualmente se obtiene de lasbateras y su limitacin en cuanto a velocidad y autonoma, son los automviles hbridos los que ofrecen una solucin de compromisoms satisfactoria. Ademas pueden aprovecharse de los desarrollos en el campo de los motores de combustin interna que an tienenmargen de mejora.

El fabricante Toyota por ejemplo esta desarrollando una serie de alternativas a los vehculos convencionales que consumencombustibles fsiles, desarrollando nuevas tecnologas que van desde los vehculos hbridos actuales hasta los que son impulsadospor hidrogeno (FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle).

Se han llamado hbridos a los automviles que utilizan un motor elctrico, y un motor de combustin interna para realizar su trabajo.A diferencia de los automviles solo elctricos, hay vehculos hbridos que no es necesario conectar a una toma de corriente pararecargar las bateras, el generador y el sistema de frenos regenerativos se encargan de mantener la carga de las mismas.Al utilizar el motor trmico para recargar las bateras, se necesitan menor nmero de estas por lo que el peso total del vehculo esmenor ya que el motor trmico suele ser pequeo.

Tradicionalmente, los motores que han propulsado a los automviles convencionales han sido sobredimensionados con respecto a loestrictamente necesario para un uso habitual. La nota dominante ha sido, y es an, equipar con motores capaces de dar unapotencia bastante grande, pero que slo es requerida durante un mnimo tiempo en la vida til de un vehculo.

Los hbridos se equipan con motores de combustin interna, diseados para funcionar con su mxima eficiencia. Si se genera msenerga de la necesaria, el motor elctrico se usa como generador y carga la bateras del sistema. En otras situaciones, funcionaslo el motor elctrico, alimentndose de la energa guardada en la batera. En algunos hbridos es posible recuperar la energacintica al frenar, que suele disiparse en forma de calor en los frenos, convirtindola en energa elctrica. Este tipo de frenos sesuele llamar "regenerativos".

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La combinacin de un motor de combustin operando siempre a su mxima eficiencia, y la recuperacin de energa del frenado (tilespecialmente en la ciudad), hace que estos vehculos alcancen mejores rendimientos que los vehculos convencionales. Se disponede un sistema electrnico para determinar qu motor usar y cundo hacerlo.

Los hbridos se pueden fabricar en diferentes configuraciones:

Paralelos: tanto la parte elctrica como la trmica pueden hacer girar las ruedas.

En serie: solo la parte elctrica da traccin, el motor trmico se utiliza para generar electricidad.

Tambin se pueden clasificar segn sea la carga de las bateras.

Regulares: se recargan por el funcionamiento normal del vehculo.

Enchufables: tambin se recargan conectndose a la red elctrica.

Ventajas:

Esta tecnologa ha permitido conseguir que el consumo de combustible sea de un 20% hasta un 60% menor que en vehculos

comparables de tipo convencional.

Se maximiza el rendimiento del uso del combustible, pues los motores de combustin interna para hbridos son fabricados

pensando en el mayor rendimiento de un litro de combustible.

Reduccin de emisin de gases dainos para el medio ambiente y los seres vivos.

Vehiculos Hibridos http://www.mecanicavirtual.org/hibridos.htm

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Disminucin de la factura petrolera.

Desventajas:

Los vehculos hbridos tienen menos potencia (CVs) que automviles convencionales comparables. No obstante, el avance deesta tecnologa apunta a aminorar esta brecha y tanto la velocidad mxima del vehculo, como la autonoma son parecidas alos puramente trmicos.

Mayor peso que un coche convencional (hay que sumar el motor elctrico y, sobre todo, las bateras), y por ello un incrementoen la energa necesaria para desplazarlo. El peso del vehculo se puede aminorar usando carroceras mas ligeras de aluminio,fibra de carbono o fibra de vidrio.

Ms complejidad, lo que dificulta las revisiones y reparaciones del vehculo.

La inversin inicial es mayor para adquirir un hbrido que para adquirir un convencional comparable. Sin embargo, el ahorroeconmico que le entrega el menor consumo de combustible le devuelve esa inversin.Tienen la desventaja de ser ms caros. Tanto la velocidad mxima, como la autonoma son parecidas a los puramentetrmicos y el peso puede ser tambin parecido si se usan carroceras ligeras de aluminio, fibra de carbono o fibra de vidrio.

Como desarrollo para un futuro, estn las celdas de combustible, que prometen reemplazar al motor de combustin mediante el usode nuevas energas. Su nica emisin por el tubo de escape es vapor de agua.

Entre los 10 automviles hbridos ms demandados del 2007 estn los siguientes:

Toyota Prius1.

Toyota Camry hybrid2.

Toyota Highlander hybrid3.

Ford Escape hybrid4.

Honda Civic hybrid5.

Lexus GS450h6.

Lexus RX400h7.

Nissan Altima hybrid8.

Mercury Mariner hybrid9.

Honda Accord hybrid10.

EstructuraLa configuracin de un vehculo hbrido depende de la disposicin de los elementos que lo componen, por lo que se pueden clasificaren hbridos serie e hbridos en paralelo.

Hbrido en serie

En estos vehculos el motor de combustin proporciona movimiento a un generador que o carga las bateras o suministra la potenciadirectamente al sistema de propulsin (motor elctrico) y por lo tanto reduce la demanda a la batera.El dispositivo generador se utiliza principalmente como un ampliador de prestaciones, por lo que en la mayora de los kilmetros secircula con las bateras. Cuando la duracin del viaje excede a las prestaciones de la batera, el dispositivo generador se enciende.Para viajes ms largos, el dispositivo generador puede ser conectado automticamente cuando las bateras alcanzan un nivelpredeterminado de descarga.


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El motor trmico impulsa un generador elctrico, normalmente un alterador trifsico, que recarga las bateras, una vez rectificada lacorriente, y alimenta al motor o motores elctricos y estos son los que impulsan al vehculo.

Dependiendo del rango de velocidades que se quieran ofrecer el dispositivo generador debe ser mayor o menor. En un principio sepropusieron soluciones de bajo rango de velocidades, pero la tendencia hoy en da es la de ir a un rango mayor. Esto implicasistemas de generacin mucho mayores. La batera se dimensiona en funcin de los picos de demanda.As, a altas velocidades, slo parte de la energa proviene de las bateras, siendo stas las que suministran la potencia necesariapara aceleraciones y adelantamientos. A velocidad de crucero, la potencia generada en exceso se utiliza para recargar las bateras.Este sistema resulta eficiente si el 80% de los kilmetros recorridos son alimentados por la energa de las bateras que se hanrecargado desde la red. En caso contrario es difcil la justificacin de este tipo de propulsin hbrida ya que la energa elctrica delas bateras proviene en realidad de la combustin del motor trmico.La principal ventaja que ofrece este diseo frente al de en "paralelo" es la de un diseo mecnico simple. Se dispone de un motortrmico diseado y optimizado para trabajar siempre en el mismo regimen de revoluciones.La desventaja de este tipo de vehculos es que toda la energa producida por el motor trmico tiene que atravesar el generadorelctrico sufriendo muchas prdidas, debido a la transformacin de energa mecnica a elctrica, y toda la energa para la traccintiene que pasar por el motor elctrico.

Hbrido en paralelo

Este tipo de vehculo utiliza dos sistemas de traccin en paralelo. Segn esta configuracin ambos proveen de potencia a las ruedasde modo que los dos sistemas pueden ser utilizados independientemente o simultneamente para obtener una potencia mxima.Aunque mecnicamente ms complejo, este mtodo evita las prdidas inherentes a la conversin de energa mecnica en elctricaque se da en los hbridos en serie. Adems como los picos de demanda de potencia le corresponden al motor de combustin interna,las bateras pueden ser mucho menores.El motor a gasolina entra en funcionamiento cuando el vehculo necesita ms energa. Y al detenerse, el hbrido aprovecha la energanormalmente empleada en frenar para recargar su propia batera (frenado regenerativo).


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Como los patrones de uso de los automviles tienden a viajes cortos y frecuentes, un hbrido en paralelo trabajar la mayor parte deltiempo slo con motor elctrico (este funcionamiento seria el ideal, aunque la realidad demuestra que actualmente las bateras de loshbridos tienen muy poca autonoma y por lo tanto estos vehculos funcionan mayormente impulsados por el motor trmico).

Dentro de los vehculos hbridos "paralelos" podemos distinguir dos arquitecturas: los que usan un generador independiente paracargar las bateras, o los que aprovechan el motor elctrico para funcionar tambin como generador.

Con generador independiente: su inconveniente es que tiene mas componentes, el generador, el conversor de corriente alternaa corriente continua y la transmisin ente el motor trmico y el generador por lo que ser ms pesado y caro. Sin embargotiene la ventaja que el generador al estar diseado para funcionar slo como generador, ser ms eficiente que el motorfuncionando como generador.

Usando el motor elctrico como generador: se disminuye el nmero de componentes, pero puede disminuir el rendimiento.

El vehculo hbrido paralelo con generador independiente tambin se le clasifica como vehculo hbrido "paralelo-serie". Estaconfiguracin combina las ventajas de ambos sistemas y es la mas utilizada por los fabricantes de automviles como por ejemplo:Toyota en su modelo Prius.

Los tiempos de funcionamiento del motor elctrico (motor) y del motor trmico (engine) se reparten en distinta proporcindependiendo de la configuracin del vehculo hbrido. Para verlo mas claro tenemos la grfica inferior donde se ve que en el hbrido"serie" los tiempos de funcionamiento se reparten por igual al 50%, en el hbrido "paralelo" sin embargo funciona mucho mas el motor


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trmico, en el hbrido "paralelo/serie" funciona mas tiempo el motor elctrico.

MotoresLos automviles normalmente tienen motores de combustin interna que rondan entre los 60 y 180 CV de potencia mxima. Estapotencia se requiere en situaciones particulares, tales como aceleraciones a fondo, subida de grandes pendientes con gran carga delvehculo y a gran velocidad. El hecho de que la mayora del tiempo dicha potencia no sea requerida supone un despilfarro de energa,puesto que sobredimensionar el motor para posteriormente emplearlo a un porcentaje muy pequeo de su capacidad, sita el puntode funcionamiento en un lugar donde el rendimiento es bastante malo. Un vehculo medio convencional, si se empleamayoritariamente en ciudad o en recorridos largos y estacionarios a velocidad moderada, ni siquiera necesitar desarrollar 20caballos.

El hecho de desarrollar una potencia muy inferior a la que el motor puede dar supone un despilfarro por dos motivos: por una partese incurre en gastos de fabricacin del motor superiores a lo que requerira realmente, y por otra, el rendimiento de un motor quepueda dar 100 caballos cuando da slo 20 es muy inferior al de otro motor de menor potencia mxima funcionando a plena potencia ydando esos mismos 20 caballos. Este segundo factor es el principal responsable de que el consumo urbano de un mismo vehculoequipado con un motor de gran potencia consuma, en recorridos urbanos, muchsimo ms que uno del mismo peso equipado con unmotor ms pequeo. En conclusin, el motor ha de ser el idneo para el uso al que se destina.

Otro factor que penaliza el rendimiento brutalmente en recorridos urbanos es la forma de detener el vehculo. sta detencin serealiza mediante un proceso tan ineficiente cmo es disipar y destruir la energa en forma de movimiento, energa cintica, que llevael vehculo para transformarla en calor liberado intilmente al ambiente.

Sin embargo, tampoco parece razonable limitar la potencia mxima de un motor en demasa en pro de conseguir excelentesconsumos, puesto que en ciertas ocasiones es estrictamente necesario disponer de potencia para determinados esfuerzos tanpuntuales como inevitables, tales como adelantamientos y aceleraciones en pendiente. He aqu donde el sistema hbrido toma sumayor inters. Por una parte combina un pequeo motor trmico, suficiente para el uso en la inmensa mayora de las ocasiones, debuen rendimiento y por tanto bajo consumo y emisiones contaminantes, con un sistema elctrico capaz de realizar dos funcionesvitales.

Por una parte desarrolla el suplemento extra de potencia necesario en contadas, pero inevitables, situaciones como las anteriormentecitadas. Por otra, no supone en absoluto ningn consumo extra de combustible. Al contrario, supone un ahorro, puesto que la energaelctrica es obtenida a base de cargar las bateras en frenadas o retenciones del vehculo al descender pendientes, momentos en losque la energa cintica del vehculo se destruira (transformara en calor irrecuperable para ser ms exactos) con frenostradicionales. Adems, no slo aporta potencia extra en momentos de gran demanda de sta, sino que posibilita emplear solo la


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propulsin elctrica en arrancadas tras detenciones prolongadas (semforos por ejemplo) o aparcamientos y mantener el motortrmico parado en stas situaciones en las que no es empleado, o se requiere de l una potencia mnima, sin comprometer lacapacidad para retomar la marcha instantneamente. sto es posible porque tiene la capacidad de arrancar en pocas dcimas desegundo el motor trmico en caso de necesidad.

Adems de la altsima eficiencia, la posibilidad de emplear los motores elctricos, exclusivamente, durante un tiempo permite evitar laproduccin de humos en situaciones molestas, como por ejemplo en garajes.

En conclusin, desde el punto de vista de la eficiencia energtica, el vehculo hbrido representa un avance importante tanto en lareduccin del consumo de combustible y de la contaminacin. Sin embargo, no todos son ventajas actualmente los costes deproduccin de bateras, el peso de las mismas y la escasa capacidad de almacenamiento limitan an su empleo generalizado.

El gran problema actual con el que se encuentra el motor elctrico para sustituir al trmico en el vehculo es la capacidad deacumulacin de energa elctrica, que es muy baja en comparacin con la capacidad de acumulacin de energa en forma decombustible. Aproximadamente, 1 kg de bateras puede almacenar la energa equivalente de 18 gramos de combustible, si bien esteclculo no tiene en cuenta el escaso aprovechamiento energtico de esa energa en un motor de combustin, en comparacin con unmotor elctrico. Aun as esto supone una barrera tecnolgica importante para un motor elctrico.

Los motores elctricos han demostrado capacidades de sobra para impulsar otros tipos de mquinas, como trenes y robots defbricas, puesto que pueden conectarse sin problemas a lneas de corriente de alta potencia. Sin embargo, las capacidades dealmacenamiento energtico en un vehculo mvil obligan a los diseadores a usar una complicada cadena energtica multidisciplinar,e hbrida, para sustituir a una sencilla y barata cadena energtica clsica depsito-motor-ruedas. La electricidad, como moneda decambio energtica, facilita el uso de tecnologas muy diversas, ya que el motor elctrico consume electricidad, independientementede la fuente empleada para generarla.


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Vehculos hbridos

Indice cursos

Honda Civic IMA

Honda comenz su andadura con los coches hbridos con el innovador modelo Insight all por el ao 1999, continuando con la

introduccin posterior del Civic IMA. Ahora se renueva este Civic mediante el empleo del mismo sistema IMA (Integrated

Motor Assist) evolucionado con un motor elctrico que apoya al motor de combustin, as como hace la competencia directa

al Toyota Prius, que se decanta por los mismos elementos para funcionar aunque de forma inversa, puesto que es el de

combustin el que apoya al motor elctrico.

Lo ms destacado de este Civic es su innovador sistema propulsor, que bsicamente se compone de un motor de gasolina

asistido por uno elctrico de forma inteligente. En conjunto desarrollan una potencia de 115 CV a 6.000 rpm frente a los 90

CV del Civic IMA anterior. De la cifra de potencia corresponden 95 CV a 6.000 rpm al nuevo motor de gasolina 1.3 i-DSI

VTEC y 20 CV a 2.000 rpm al motor elctrico, deduciendo que el motor elctrico slo desarrollar su funcin hasta ese bajo

rgimen y ayudar en aceleraciones leves. La principal ventaja de este sistema es que desarrolla una potencia y unas

prestaciones comparables con las de un motor de gasolina, obteniendo unos consumos equivalentes a los de un motor diesel.

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Los automviles hbridos principalmente utilizan el motor de gasolina, pero el motor impulsado por las bateras elctricas

asiste o ayuda al motor de gasolina, cuando esta ayuda se pone en accin mejora el consumo de la mezcla de gasolina,

emitiendo menos gases contaminantes.

Esta mecnica es silenciosa por dos razones: primero, porque el motor de gasolina se apaga automticamente, si el coche se

detiene por completo y el conductor mantiene el pie en el freno (si la temperatura est entre -12 y 38C, si la batera est

suficientemente cargada, si el motor de gasolina no est fro y si no est conectado el servicio elctrico que deshace el hielo

del parabrisas). Si el coche no supera 12 km/h, el motor de gasolina slo se para hasta un mximo de dos veces.

Si el motor se ha parado (que es lo ms normal), cuando el conductor suelta el pedal del freno, el motor trmico se pone en

marcha automticamente de una forma extraordinariamente rpida y suave.

El sistema de transmisin tambin contribuye a que el coche sea muy silencioso, porque hace que el motor funcione (siempre

que se pise poco el acelerador) a un rgimen muy bajo (si est puesta la posicin D de la palanca de cambios). Si se pisa

sbitamente el acelerador, aumenta mucho el ruido del motor (porque alcanza un rgimen muy alto) sin que se note una gran

aceleracin. Es una caracterstica de los coches que tienen transmisin por variador (CVT) y motores poco potentes.

Analizando la arquitectura del IMA, cabe sealar que una de las principales caractersticas del Civic Hybrid es la colocacin

del motor elctrico en lnea con el trmico. Con esa disposicin, ambos motores giran solidarios sobre el mismo cigeal, con

lo que es ms fcil agrupar sus esfuerzos y se aprovecha mejor la energa (aunque las cifras de par no son directamente

sumables, pues sus picos se producen a diferentes regmenes).

Con relacin al anterior Civic IMA, ste tiene cambios en la parte mecnica y en la parte elctrica, que hacen posible un

Vehiculos Hibridos: Honda Civic IMA http://www.mecanicavirtual.org/hibridos-honda.htm

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funcionamiento ms eficiente y que le dan capacidades que no tena el anterior. El motor elctrico es solidario con el trmico y

est en el lugar que ocupara el volante del motor. El cambio es de tipo variador y no tiene ningn elemento adicional de unin

al motor (embrague o convertidor hidrulico de par); es el motor elctrico el que hace esas funciones.

MotorEl motor trmico del Civic es bsicamente un cuatro cilindros de 1,3 l de doble encendido secuencial con la distribucin

variable (VTEC) de tres fases. En el caso de este Civic, las tres fases de la distribucin corresponden a condiciones de

funcionamiento de "carga baja", "carga alta" o "retencin". Para carga baja hay unas levas que dan poca alzada a las vlvulas.

Para carga alta hay levas de mayor perfil, que dan ms alzada. Cuando el conductor suelta el acelerador, las levas no pisan

las vlvulas, de manera que quedan cerradas permanentemente.

Lo que se consigue al cerrar las vlvulas es que el motor no bombee aire y, por tanto, haga menos retencin. Segn Honda,

al dejar las vlvulas cerradas se disminuye la retencin del motor en un 66%; en esas condiciones, el aire que queda en las

cmaras se sigue comprimiendo y descomprimiendo, y (como en cualquier motor) se corta la inyeccin de combustible.

Como el motor ofrece menos retencin, es posible utilizar ms la inercia del coche en cargar la batera; segn Honda, con

relacin al anterior Civic IMA, la capacidad para recuperar energa se ha multiplicado por 1,7.

Es un motor con un rbol de levas y dos vlvulas por cilindro, dispuestas en un ngulo estrecho (30). El bloque del motor es

de aluminio con paredes finas. Para disminuir las prdidas por rozamiento, las camisas estn pulidas a espejo y los pistones

tienen segmentos de baja tensin. El buln del embolo est descentrado con relacin al eje del cilindro. Los pistones tienen

microdepresiones para retener ms aceite.

Este motor proporciona 95 CV de potencia mxima a 6.000 rpm y 123 Nm de par mximo a 4.500 rpm. Son unos valores

normales para un motor de su cilindrada; la mxima presin media efectiva que alcanza es 11,5 bar.


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FuncionamientoFuncionalmente, hay dos diferencias notables con respecto a un Toyota Prius.

La primera, es que el Civic Hybrid no puede comenzar la marcha desde parado nicamente con el motor elctrico.

Para que se mueva exclusivamente impulsado por el motor elctrico, la velocidad debe estar entre unos 20 y 50 km/h y

el conductor no debe acelerar mucho.

Segundo, el motor de gasolina del Civic no deja de girar en ningn caso cuando el coche est rodando (el elctrico y el

de gasolina van unidos solidariamente), lo que s que hace es funcionar con un esquema de distribucin donde no da

retencin, ni opone ms resistencia al avance que el propio rozamiento de sus elementos sometidos a giro.

Para la activacin del sistema IMA, el motor no necesitar ser puesto en marcha mediante la llave de encendido y se debern

cumplir ciertas condiciones para el arranque automtico:


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Que no est presionado el pedal de freno.

Presionar el pedal del acelerador.

La transmisin est en alguna posicin de marcha.

El vehculo comience a rodar o est sobre un piso inclinado, el pedal de freno est presionado suavemente y el

automvil se mueva.

El estado de carga de batera est bajo.

El sistema de reserva de vaco para ayuda de frenos, est bajo o con fallas.

Los indicadores de baja presin de aceite y/o baja carga de batera estn iluminados.

La luz indicadora de Idle Stop est apagada.

El motor haya sido puesto en marcha nuevamente, mediante la llave de ignicin.

TransmisinEl cambio es un variador continuo (CVT), como en el anterior Civic, pero con una apertura mayor. La relacin ms corta en

este caso es 2,520 a 1 y la ms larga es 0,421 a 1. El grupo es muy corto (4,94 a 1), como suele ocurrir en los cambios de

variador, para que la caja no tenga que hacer una reduccin grande (entre otras cosas, eso hara que fuera de gran tamao).

Marcha atrs: 4.511 a 1.875. Con las ruedas 195/65 15, sale un desarrollo mnimo de 9,3 y uno mximo de 55,8 km/h cada

1.000 rpm.

Circuito elctrico de alto voltaje


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Como en el anterior Civic IMA, la batera de Ni-MH (Niquel-Hidruro de metal) est colocada detrs del respaldo trasero. En

este modelo, el volumen de la batera se ha reducido de 68 a 59 L. La tensin que da esta batera es ms alta (158 V en

lugar de 144), pero su capacidad es menor (5,5 Ah en lugar de 6,0).

Normalmente no hay que tener ninguna precaucin especial con el estado de la batera que mueve el motor elctrico (como s

ocurre en un Prius), porque lo frecuente es no llegar al lmite en donde deja de asistir al motor trmico en aceleracin, ni

siquiera despus de acelerar a fondo durante unos cuantos kilmetros en cuesta arriba. Adems, a poco que las condiciones

no sean desfavorables, la batera carga hasta el mximo con facilidad.


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Esquema elctrico del inversor

El motor/generador elctrico (figura inferior) es sncrono, sin escobillas e imanes permanentes. Est compuesto de un rotor

de imanes permanentes y un estator bobinado. El motor/generador es quien pone en marcha el motor trmico hasta llegar a

las 1.000 rpm. Tambin se encarga de acoplarlo nuevamente luego de realizada

la operacin autostop, esto es, la parada automtica del motor trmico, por ejemplo al parar en el semforo. En estas

ocasiones la contaminacin y el consumo de combustible es cero, sin mencionar la nula contaminacin sonora y el alto confort

que brinda a los ocupantes del vehculo. En el interior, slo un marcador diferencial en el tablero de instrumentos y una

ventilacin bajo la luneta, para los componentes situados detrs de las plazas traseras, permiten diferenciar a esta versin del

clsico Civic a combustin.

En el respaldo del asiento trasero ademas del modulo de bateras, tenemos el sistema IPU (Unidad de Poder Integrado),

donde se halla el inversor, el mdulo de control de motor, el mdulo convertidor de voltaje y la unidad de refrigeracin.


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El sistema IMA dispone de algunos elementos que benefician el ahorro de energa, como un compresor para el aire

acondicionado que se puede mover mecnicamente (con una polea) o elctricamente (con un motor elctrico incorporado de

144 V). Normalmente slo consume energa elctrica pero, si la carga de la batera no es suficiente o si se requiere un

enfriamiento muy rpido, lo mueve el motor trmico a travs de la polea.

En las plazas traseras tambin abunda el espacio y tres adultos pueden viajar sin demasiados apuros. El maletero (figura

inferior), en cambio, promete ms de lo que luego da. Aunque sus 350 litros son bastante dignos, no estn en consonancia

con lo que aparenta el gran voladizo del Hybrid. La culpa es de las bateras del sistema IMA, que se comen una buena parte

del maletero.

Frenado regenerativoEl sistema IMA recupera y convierte la energa que normalmente se pierde en una desaceleracin o al frenar y la acumula

para asistir al motor cuando sea necesario.

Al desacelerar, el motor elctrico acta como generador, convirtiendo energa cintica en elctrica que se utiliza para

recargar el modulo de bateras de alta tensin..


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Vehculos hbridos

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Lexus RX 400h (Hbrido 4WD)

El sistema hbrido del Lexus RX 400h consta de un motor de gasolina, dos motores elctricos, un generador, un conjunto

de engranajes, una batera de alto voltaje y una unidad electrnica que controla todo el sistema.

Este vehculo combina un motor trmico de 3.3 V6 con dos motores elctricos, uno delantero y otro en el eje trasero (4

WD). El sistema Lexus Hybrid Drive se complementa con un generador, unidad de control y bateras especiales. El

motor de gasolina da 211 CV y 288 Nm a 4.400 rpm, los elctricos 165 CV y 67 CV, como mximo entregan a la vez

272 CV (norma DIN). No hay conexin entre ejes, el eje trasero se mueve slo con motor elctrico.

El motor elctrico delantero es un motor sncrono de corriente alterna de imanes permanentes con disposicin en V (de

este modo se eliminan las escobillas, que es un elemento de desgaste) con refrigeracin agua/aceite. Se alimenta con

650 V (en el Prius 500 V). Da 165 CV a 4.500 rpm y un par mximo de 333 Nm constante entre 0 y 1.500 rpm. Tiene

una velocidad mxima de giro de 12.400 rpm.

El trasero, alimentado tambin con 650 V, produce 68 CV entre 4.610 y 5.120 rpm y da 130 Nm de forma constante de

0 hasta 610 rpm. La velocidad mxima de giro es 10.752 rpm. El acoplamiento entre el motor y las ruedas traseras se

hace a travs de unos engranajes que reducen la velocidad (relacin 6,8591 a 1).

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luisSticky NoteMAS INFORMCAION 993290498 LA MAS VARIADA INFORMACION AUTOMOTRIZ

La unidad electrnica que controla el sistema (figura inferior) consta de un amplificador de tensin, un reductor de tensin

y un rectificador de corriente y pesa 32 kg. La tensin de la batera (288 V) es aumentada hasta 650 V para alimentar a

los motores elctricos. Con una tensin elevada se disminuye las prdidas de potencia, puesto que la intensidad de

corriente es menor: la potencia es el producto de la tensin por la intensidad; para una potencia dada, si se aumenta la

tensin, disminuye la intensidad. Como las prdidas son proporcionales al cuadrado de la intensidad, ests tambin

disminuyen.

Hay un rectificador de corriente que transforma el suministro de corriente continua de 650 V, proveniente del amplificador

anterior, a corriente alterna, que es como trabajan los motores y el generador.

Tambin se reduce la tensin de 288 a 12 V para alimentar la batera convencional de 12 V, a la que van conectados el

Vehiculos Hibridos: Lexus RX 400h http://www.mecanicavirtual.org/hibridos-lexus.htm

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resto de dispositivos elctricos del coche, que funcionan a esa tensin. Esta batera se encuentra localizada en el vano

motor.

La batera de nquel e hidruro metlico (NiMH) fabricada por Panasonic, pesa 69 kg. Est dividida en tres bloques (para

ubicarla bajo el asiento trasero sin quitarle espacio), dos de 12 mdulos y uno de 6 (total: 30). Cada mdulo (9,6 V)

cuenta con 8 clulas de 1,2 V. Como hay un total de 240 clulas, y estn conectadas en serie, la tensin suministrada

por esta batera es 288 V. Est aislada por una cubierta metlica que hace de escudo frente a los campos magnticos y

permite una mejor refrigeracin que una de plstico. La refrigeracin se efecta mediante un flujo de aire (forzado por

unos ventiladores muy silenciosos) a travs de unas rejillas de ventilacin que hay bajo la parte delantera de la banqueta.

La batera se desconecta si algn sensor de airbag se activa.

La batera HV alimenta a los siguientes componentes:

Motor elctrico delantero

Motor elctrico trasero

Generador elctrico

Sistema de direccin elctrico EPS

Compresor del A/A

Cables de alta tensin

Nota: cuando las aceleraciones son muy fuertes y puede haber prdidas de traccin entra en funcionamiento tambin el

motor elctrico trasero, momento ste ltimo en el que traccionan las cuatro ruedas. Es decir, sin que el conductor tenga

que seleccionar nada manualmente, este coche puede andar con uno, dos o tres motores; y con traccin delantera o

total.

Los dos motores elctricos se convierten en generadores al frenar o cuando se levanta el pie del acelerador. De este


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modo, adems de recuperar la energa cintica y transformarla en elctrica (cargando la batera), se consigue mayor

capacidad de retencin del vehculo.

Funcionamiento

Arranque: el vehculo empieza a moverse con el motor elctrico delantero.1.

Normal: el vehculo va aumentando de velocidad, arranca el motor trmico haciendo el trabajo de mover el

vehculo y cargar la batera.

2.

Aceleracin: en aceleraciones fuertes funcionan el motor trmico y el elctrico delantero.3.

Deceleracin: en esta fase los dos motores elctricos recuperan energa para recargar la batera.4.

Detencin: el motor trmico se detiene para no gastar combustible.5.

TransmisinEl RX 400h puede moverse, en funcin de la situacin, con el motor elctrico delantero nicamente, con ste y con el

motor trmico, o con los tres motores a la vez. Todas estas posibilidades, gestionadas automticamente sin intervencin

del conductor, se basan en la utilizacin de un sistema de engranajes planetarios.

El Lexus utiliza dos grupos de engranajes planetarios en vez de uno que utiliza el Toyota Prius en su transmisin .

Esto es as porque el par de un motor elctrico es proporcional a su tamao y, como ste tiene que ser pequeo para

caber en el vano del motor, no puede dar mucho par. Para conseguir una potencia elevada han utilizado un motor que

gira muy rpidamente y para aumentar el par han optado por utilizar unos engranajes reductores de velocidad (puesto

que el par aumenta de forma inversa a la velocidad). Ese grupo de engranajes adicional tiene una relacin de dientes

entre el planeta y la corona de 1 a 2,478.

El motor trasero funciona de forma independiente y se activa cuando el dispositivo que controla la traccin lo considera

necesario: cuando hay prdidas de traccin, en aceleraciones fuertes o cuando el control de estabilidad lo requiere para

mantener la trayectoria.


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Circuito de alto voltajeExiste un dispositivo de seguridad que desconecta la batera HV al circuito de alto voltaje cuando el vehculo esta

desconectado. Se utiliza unos rles de 12 V gobernados por la unidad de control hbrida (THS II ECU).

El dispositivo de seguridad desconecta tambin la batera HV del circuito de alto voltaje cuando existe una colisin y se

activa el SRS o lo detecta el sensor de colisin trasero.


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Vehculos hbridos

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Toyota Prius Hibrido

El Toyota Prius es el hbrido ms demandado entre los compradores de este tipo de vehculos. Funciona con gasolina pero gasta menosque un Diesel (4,3 L/100 km) y es el modelo que emite menos CO2 del mercado, con slo 104 gr/km; un 30% menos que el resto deturismos. Su secreto es la tecnologa Hybrid Sinergy Drive (HSD), desarrollada por Toyota, y que combina un motor trmico con otroelctrico alimentado por unas bateras que se recarga con la fuerza de las frenadas. Lo que inicialmente parece una idea tan sencilla comobrillante, resulta, a la postre, tcnicamente muy compleja, y con en reto aadido de que todos los componentes extra que precisa unamecnica semejante deben ocupar el mismo espacio que habitualmente precisa el motor de un automvil convencional.

El Toyota Prius a evolucionado con los aos montando una nueva versin (THS II) que ha mejorado la primera versin THS (Toyota HybridSystem)..

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Para el funcionamiento del Prius se dispone de dos motores; por una parte, tenemos un motor de gasolina de 1,5 litros, con 78 CV depotencia mxima a 5.000 rpm. Por otra, se apoya en un motor elctrico, con una potencia mxima equivalente a 68 CV (50 kW), con lo cual,cuando los dos trabajan al unsono, se logra una potencia total de unos 111 CV. El par mximo es impresionante, alrededor de 400 Nm.,desde el motor parado y hasta las 1.200 revoluciones.

Con todo ello los consumos de combustible anunciados por Toyota son de 4,3 litros a los 100 kilmetros en ciclo combinado, 4,2 litros cada100 kilmetros en carretera y 5 litros cada 100 kilmetros en ciudad.

Motor

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El motor trmico funciona segn el llamado "ciclo Atkinson", ideado por el ingeniero ingls James Atkinson (1887), y que se diferencialigeramente del tradicional motor de "ciclo Otto" de cuatro tiempos. Bien es sabido que el rendimiento termodinmico de cualquier motor decombustin interna se ve favorecido por un alto valor de la relacin de compresin, que a su vez tiene el inconveniente de la tendencia queposee la gasolina a producir detonacin para altas relaciones de compresin.

El ciclo Atkinson trata de aprovechar las ventajas que supone una alta relacin de compresin reduciendo la duracin efectiva de la carrerade compresin con respecto a la de expansin del tradicional ciclo Otto. La forma ms viable y sencilla de conseguir esto es retrasar elcierre de la vlvula de admisin, permitiendo un cierto reflujo de gases hacia el colector de admisin mientras el pistn asciende. Esamezcla se aprovecha en el siguiente ciclo de aspiracin.

El cierre de la vlvula determina la cantidad de gases que permanecen en el interior del cilindro y el comienzo de la compresin. La menorcantidad de mezcla retenida se traduce en unas menores prestaciones, pero autoriza a usar relaciones de compresin altas (13:1 en elToyota Prius) sin que se produzca detonacin, lo que permite un mayor aprovechamiento de la energa liberada en la combustin durante lacarrera de expansin. Este ciclo ha sido en ocasiones denominado como de cinco tiempos: admisin, reflujo de gases, compresin,expansin y escape.

El motor Toyota que lleva el Prius tiene distribucin variable de tipo VVT-i. Puede cerrar la vlvula de admisin entre 78 y 105 despus delpunto muerto inferior. Es decir, en funcin de las condiciones de funcionamiento, es posible que no cierre las vlvulas de admisin hastadespus de llevar media carrera ascendente. La relacin de compresin real nunca es ms de 9:1, mientras que la relacin de expansin es13:1.

El funcionamiento de este vehculo dispone que el "motor elctrico" es el que acta a bajas velocidades y cuando no se exige un rendimientomecnico elevado. El "motor de gasolina", en cambio, entra en funcionamiento cuando se aumenta la velocidad o se solicita ms potencia.Este proceso se realiza de forma completamente automtica y sin que el conductor note apenas el trabajo de uno u otro, a pesar de que elmonitor de energa, situado en la pantalla multifuncin de la consola central, informa a los ocupantes de los trnsitos de energa trmica yelctrica, el estado de carga de la batera y la recuperacin de energa cintica. sta ltima es precisamente una de las grandes ventajas


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de este coche, que no necesita alimentacin externa su batera no precisa ser recargada, ya que la fuerza de las frenadas y elfuncionamiento del motor de explosin ya recargan la batera de ion-litio, la ms sofisticada y potente del mundo en su gnero. Gracias aesta inteligente combinacin, el Prius logra un consumo medio homologado de combustible de 4,3 litros a los 100 km, todo un rcord paraun coche de gasolina.

El Prius tiene un motor elctrico permanentemente engranado al diferencial de la transmisin, sin ningn tipo de embrague. Es decir, elmotor elctrico y las ruedas son siempre solidarios. El funcionamiento del motor elctrico es posible durante unos pocos km y por debajo de50 km por hora y esto suponiendo que la batera este a plena carga, porque sino la autonoma seria mucho menor..

Para mover a las ruedas, el motor elctrico puede estar impulsado elctricamente (por una batera, un generador o ambas cosas a la vez)o mecnicamente (por un motor de gasolina). El motor trmico nunca mueve directamente a las ruedas; su fuerza se aprovecha para movera un generador elctrico o para mover mecnicamente al motor elctrico.

Con la electricidad que produce el generador elctrico cuando lo impulsa el motor de gasolina se puede: mover al motor elctrico,almacenar energa en la batera o ambas cosas al mismo tiempo.

La batera sirve como fuente de electricidad para todo el coche. Obtiene la energa por dos medios: uno, del motor trmico, a travs delgenerador. Dos, del motor elctrico cuando ste no impulsa al coche (en ese caso, el motor elctrico se convierte en otro generador).

En la imagen siguiente, que simula una aceleracin y una deceleracin del coche, se pueden apreciar todos los procesos citados.


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El sistema est controlado por una centralita que distribuye la fuerza de cada elemento, de acuerdo con la fuerza que sea necesaria encada momento y con el nivel de carga de la batera.

En la siguiente imagen se puede ver un ejemplo de funcionamiento. En las dems imgenes se ve una ilustracin del flujo de fuerza en cadacaso, junto con el esquema que puede aparecer en el monitor del coche.


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Si el conductor selecciona la funcin de mxima retencin con el mando del cambio, el motor trmico gira sin alimentacin de combustible(es decir, se convierte en una bomba de aire). En esa posicin del cambio, adems, la retencin que da el motor elctrico convertidor engenerador tambin es mayor.

Hay un botn que anula completamente el motor trmico, si la batera no baja de una cierta carga y si el conductor no solicita demasiadafuerza del sistema (una aceleracin fuerte, un rampa pronunciada o una velocidad superior a unos 50 km/h). Esta funcin puede ser til parasalir circular por espacios cerrados (como aparcamientos), sin que el coche contamine ni haga ruido.

TransmisinToyota denomina a la transmisin utilizada en el Prius como Power Split Device. Esta transmisin no tiene una caja de cambiosconvencional con distintos engranajes, ni una caja automtica de variador continuo con correa. Este vehculo dispone de un engranajeplanetario para transmitir el movimiento a las ruedas. No tener una caja de cambio normal aporta ventajas notables y especialmente


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necesarias en un coche como ste: menos peso, ms espacio y menos prdidas por rozamiento.

Dado que el motor funciona siempre casi a plena carga y con un margen de revoluciones no muy amplio, haca falta algo para que (en esascondiciones) valiera igual para arrancar en marcha lenta y para ir a gran velocidad. Ese algo es el engranaje planetario, que tiene treselementos: un planeta o engranaje central; unos satlites que giran alrededor de l; y una corona con un dentado interior a la cualtambin estn engranados los satlites.

El engranaje planetario utilizado en esta transmisin une cada uno de sus componentes (figura inferior):

Engranaje central o "planetario" est unido al generador elctrico.

El portasatlites est unido al motor trmico.

La corona esta unida al motor elctrico.

A uno de estos elementos est engranado el motor trmico, al otro un generador elctrico y el otro es solidario con las ruedas el coche. Laclave del sistema es que el giro del generador elctrico puede ser mayor o menor, en funcin de la resistencia que oponga. Si es preciso undesarrollo corto, el generador elctrico opone una gran resistencia al movimiento. A consecuencia de ello roba fuerza al motor trmico yla enva al motor elctrico, que tambin impulsa a las ruedas. La fuerza que va a parar al motor es finalmente la misma, si no entran enjuego las bateras. Pero, mediante este mtodo, el engranaje epicicloidal tiene el desarrollo corto que hace falta (por ejemplo para arrancar)y largo para alcanzar un velocidad alta, a igualdad de rgimen del motor.


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A medida que el coche gana velocidad, el generador elctrico opone menos resistencia y su giro aumenta. A causa de ello, el desarrollo sehace ms largo. Si las bateras no intervienen en la aceleracin, toda la fuerza de la que dispone el coche parte del motor trmico. Peropuede llegar a las ruedas bien a travs del motor elctrico, alimentado por el generador, o bien directamente a travs del motor trmico, siel generador no acta.

La corona del engranaje planetario est solidariamente unida a las ruedas delanteras del coche, a travs de un diferencial con grupo 4,113a 1. Esa relacin de 4,113 a 1 da un desarrollo de 27,6 km/h cada 1.000 r.p.m. del motor elctrico. Si el coche puede salir desde paradocon una marcha tan larga, es porque hasta unos 25 km/h el par que puede generar el sistema de propulsin es unos 480 Nm. Comoen cualquier otro coche, la transmisin multiplica ese par (en este caso por 4,113).

Por razones de espacio, la transmisin de par entre la corona y el diferencial se hace mediante una cadena de transmisin y dos pares deengranajes (figura inferior).

Siempre que el coche esta en movimiento, la corona del engranaje planetario tambin se mueve. La fuerza para moverse proviene del motorelctrico directamente o del empuje que le da el motor trmico. Cuanto ms lenta es la velocidad del coche, tanto mayor fuerza proviene delmotor elctrico. Cerca de la velocidad mxima, toda la fuerza proviene del motor trmico.

Estos son algunos ejemplos del funcionamiento del sistema:

El coche se mueve slo con la energa de la batera. Un rgimen del motor elctrico distinto de cero indica que el coche est enmarcha. El motor trmico est parado y el generador funciona en sentido inverso, sin producir corriente.

El coche est parado y el motor trmico est recargando la batera. Si el coche est parado y la batera llega al lmite tolerado dedescarga, el motor trmico se pone en marcha. El generador ofrece par resistente y por eso genera una energa que se destina arecargar la batera.

El coche est avanzado a velocidad constante. En este caso, el coche se est desplazando porque el portasatlites (motor trmico)empuja a la corona (motor elctrico) mientras el que planeta est detenido (generador). En estas condiciones la propulsin esenteramente mecnica, aunque se realice (tambin mecnicamente) a travs del motor elctrico.

El coche acelera fuertemente. Cuando el coche est en marcha y el conductor pisa el acelerador, el generador se pone en marcha.En ese caso, la fuerza con que el motor elctrico impulsa a las ruedas procede de tres fuentes simultneamente: una, el motortrmico mueve al generador que a su vez alimenta al motor elctrico. Dos, el motor trmico impulsa mecnicamente al motorelctrico. Tres, la batera suministra electricidad al motor elctrico.

Hay otras condiciones de funcionamiento posibles, pero en cualquiera de ellas el principio de funcionamiento es el mismo. La energa quesuministra el generador no depende slo de su giro. El sistema puede variar o eliminar completamente el par resistente del generador paraadecuar la energa que genera a cada condicin de funcionamiento.

Esta transmisin no dispone de marcha atrs, de esta funcin se encarga el motor elctrico que puede girar en ambos sentidos, por lo tantola marcha atrs se har siempre con el motor elctrico, para esta funcin no se utiliza el motor trmico.


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BateraLa batera del Prius es de nquel e hidruro metlico; la fabrica Panasonic. Proporciona 202 V, tiene 6,5 Ah de capacidad (3 horas), pesa 42kg y tiene la densidad de energa ms alta del mundo entre las bateras de su tamao.Esta batera slo se recarga con el generador, al que impulsa el motor trmico. No tiene ningn tipo de conexin para conectarla a una redo a otro dispositivo de carga.

La batera no tiene efecto memoria porque el sistema elctrico est hecho para que nunca baje de un cierto nivel de carga, mientras elcoche est funcionando. Cuando el coche queda parado y desconectado, el proceso de descarga es muy lento. No est prevista susustitucin en el programa de mantenimiento y, como todos los elementos del sistema hbrido, tiene ocho aos de garanta.Est conectada a un elemento que convierte los 202 V de corriente continua en 500 de corriente alterna. Este dispositivo tambin invierte lacorriente elctrica cuando hay que cargar la batera (bien con el generador, o bien con el motor elctrico).


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GeneradorEl generador es el elemento que transforma en electricidad el trabajo del motor trmico; tambin funciona como motor de arranque delmotor trmico. Es de corriente alterna sncrono y como mximo gira al doble de rgimen que el motor trmico.

Motor ElctricoEl motor elctrico lo fabrica Toyota. Es un motor sncrono de imanes permanentes de neodimio. Funciona a 500 V y puede dar 50 kW entre1.200 y 1.540 rpm. Su par mximo es 400 Nm hasta 1.200 r.p.m.. Pesa 104 kg y segn Toyota no hay otro motor elctrico en elmundo (en ningn sector de la industria) que d ms potencia con menos tamao y peso que ste.Dado el desarrollo de transmisin que tiene el coche y su velocidad mxima (170 km/h), el rgimen mximo del motor elctrico es unas6.150 r.p.m..

InversorSe encarga de transformar y administrar el flujo de electricidad entre la batera y el motor elctrico. Ademas posee un convertidor integradoque enva parte de la electricidad del sistema a la batera auxiliar de 12 V.

El inversor se encarga de las siguientes funciones:

Convierte los 201,6 V DC (corriente continua) que entrega la batera HV en 201,6 V AC trifsica (corriente alterna). Multiplica estos

201,6 V AC trifsica hasta un mximo de 500 V AC trifsica. al motor y al generador elctricos del THSD

Convierte los 201,6 V DC en 201,6 V AC para el compresor elctrico del aire acondicionado.

Convierte los 201,6 V DC en 12V DC y 100 A. para recargar la batera de 12V, dada la ausencia de alternador y alimentar a losdems elemento elctricos del vehculo (luces, audio, ventiladores, etc.).


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El inversor, el motor elctrico y el generador son enfriados mediante un sistema refrigeracin independiente de la refrigeracin del motortrmico. La unidad de control HV es la que se encarga de controlar la bomba elctrica de agua. En las versiones del Prius del "04" yposteriores el radiador ha sido simplificado y el espacio que ocupa ha sido minimizado.

Instalacin de alta tensinLa instalacin elctrica para la propulsin funciona con 500 V, hay otra instalacin de 12 V para los dems elementos elctricos del coche(incluida una toma de corriente para arrancar el motor con una batera normal, si fuera preciso).Para reducir peso (y precio) la red de cables de alta tensin no es de cobre, sino de aluminio. Hay sensores que cortan instantneamente lacorriente en caso de accidente o de cortocircuito.La tensin de funcionamiento del circuito de alta tensin (HV) varia en funcin de la evolucin del sistema hbrido THS (Toyota HybridSystem)..


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Sistema de controlEl sistema de control de THS II gestiona el vehculo en su mxima eficiencia controlando la energa usada por el vehculo, lo cual incluye laenerga para mover el vehculo as como tambin la energa usada para dispositivos auxiliares, como el aire acondicionado, loscalentadores, los focos delanteros y el sistema de navegacin. El control de sistema monitorea los requisitos y las condiciones operativasde componentes del sistema hbrido, como elemento principal, el motor trmico que es la fuente de energa para el vehculo hbrido entero;El generador, que se utiliza como motor de arranque para el motor trmico y ademas convierte la energa del motor trmico sobrante enelectricidad; El motor elctrico, que mueve el vehculo usando la energa elctrica de la batera; Y la batera, que almacena la energaelctrica generada a travs de la regeneracin de electricidad por el motor elctrico durante la desaceleracin. El sistema de controltambin tiene en cuenta las informaciones que recibe del sensor de freno, sensor de velocidad, posicin del acelerador, as como cuando elconductor acta sobre la palanca de cambio.

Frenado regenerativoEl sistema de frenado regenerativo funciona cuando queremos disminuir la velocidad del vehculo, utilizando el motor trmico como freno obien pisando el pedal de freno. En esta situacin el motor elctrico funciona como un generador, convirtiendo la energa cintica del vehculoen energa elctrica, la cul se usa para cargar las bateras. Este sistema es particularmente efectivo en recobrar energa cuando secircula por ciudad, donde se producen aceleraciones y deceleraciones frecuentes. Cuando se pisa el pedal de freno, el sistema controla lacoordinacin entre el freno hidrulico del ECB (Electronic Control Braking) y el freno regenerativo y preferentemente usa el frenoregenerativo, por consiguiente recobrando energa aun en las velocidades inferiores del vehculo. Con este sistema se consigue unaregeneracin de energa muy eficiente. En la grfica inferior se ve como se ha mejorado el sistema de frenado regenerativo en el THS II conrespecto a la versin inicial (THS).

Las perdidas por rozamiento en la transmisin son mnimas ya que el movimiento de las ruedas se transmite a travs del diferencial y losengranajes intermedios al motor elctrico que se convierte en este caso en generador. El sistema de frenado regenerativo consiguerecuperar un 65% de la energa elctrica que carga las bateras.


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