Capacitación Conducción Eficiente. Aspectos teóricos y prácticos


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1 Capacitación Conducción Eficiente Aspectos teóricos y prácticos

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3 La Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE) es una fundación de derecho privado, sin fines de lucro. Es un organismo autónomo, técnico y ejecutor de políticas públicas en torno a la Eficiencia Energética, que recibe financiamiento público y privado. Actualmente está operando con recursos obtenidos a través del Convenio de Transferencia con la Subsecretaría de Energía, perteneciente al Ministerio de Energía, y al Convenio de Financiamiento establecido con el Banco Interamericano de Desarrollo (BID), agencia implementadora del Fondo proveniente del Global Environment Facility (GEF).

4 Agencia Chilena de Eficiencia Energética Capacitación de Conducción Eficiente Aspectos Teóricos y Prácticos Primera Edición: Febrero de 2014 La Guía de Capacitación de Conducción Eficiente Aspectos Teóricos y Prácticos, es un proyecto desarrollado por la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE) en el marco del programa Mejoramiento de la Eficiencia Energética en el Transporte de Carga, y es financiada por el Ministerio de Energía. Titularidad de los derechos: Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE) Autor: Francisco Unda, Aristo Consultores Ltda. Revisión y edición: Gabriel Montero, Aristo Consultores Ltda. Claudio Gavilán, AChEE Diseño gráfico: Víctor Vinagre, AChEE Empresa colaboradora: Aristo Consultores Ltda. Derechos reservados Prohibida su reproducción

5 INDICE Introducción 7 Parte 1: Funcionamiento del vehículo El motor de combustión interna 9 Potencia, esfuerzo y velocidad 14 Tren de propulsión y esfuerzo en las ruedas 17 Parte 2: Elementos que afectan al consumo Rendimientos y consumos de combustible 23 Aplicaciones y especificaciones de vehículos 25 Resistencia al rodado 27 Aerodinámica 30 Cantidad de movimiento 37 Peso del vehículo y de la carga 39 Velocidades y uso del tacómetro 42 Conducción en subidas y bajadas 46 Ruedas y neumáticos 47 Prevención de riesgos y accidentes 50 El conductor y su actitud 54 Operación en ralentí 55 Mantenimiento de flotas 58 a. Alistamiento 59 b. Mantenimiento preventivo 62 c. Mantenimiento predictico 62 d. Mantenimiento correctivo 63 Claves de la conducción eficiente 64 Conclusiones 65

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7 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE Introducción El estilo de conducción es uno de los factores más decisivos del consumo energético en el transporte automotriz, y lo seguirá siendo en el futuro predecible, por lo que es fundamental considerarlo tanto desde el punto de vista privado como de política pública. El objetivo central de la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE) es desarrollar e implementar medidas destinadas a reducir la intensidad de la demanda energética y por ello ha estado trabajando en esta materia por varios años, focalizando su esfuerzo en la capacitación de conductores y en la implementación de procedimientos de gestión de uso del combustible en la industria del transporte. Bajo la dirección de la AChEE se han realizado numerosos cursos, talleres y seminarios, dirigidos tanto a conductores como a monitores que puedan posteriormente operar como multiplicadores en la difusión de los principios y prácticas de conducción eficiente que se discuten en los cursos. El ámbito de este esfuerzo realizado ha sido amplio, cubriendo desde pequeñas empresas con flotas de unos pocos vehículos que operan al nivel local a grandes empresas de cobertura nacional. En el curso de estas actividades se ha desarrollado un interesante conjunto de materiales que incluye presentaciones diseñadas como apoyo para los relatores de los cursos, seminarios y talleres y una serie de guías que examinan diferentes aspectos de la eficiencia energética en el transporte, las que se han publicado tanto en soporte digital como impreso. Esta publicación se inscribe en el mismo objetivo que ha inspirado los desarrollos que la preceden: facilitar el acceso de todo tipo de usuarios a los principios de la eficiencia energética en el transporte. Existen buenas razones de política pública para minimizar el consumo de energía a nivel nacional, que se vinculan principalmente a nuestra dependencia del exterior para el suministro de combustibles y a los efectos de las emisiones de gases contaminantes. Sin embargo, los principales y más directos beneficiarios de reducciones en los consumos son los operadores privados de transporte, ya que ellas se traducen en incrementos significativos de los márgenes que genera el negocio. Es a estos operadores a quienes está dirigido principalmente este material, en especial a las personas que asumen el rol de capacitar conductores y que deben tener conocimientos un poco más detallados sobre las materias que típicamente se tratan en cursos de conducción eficiente. Sin perjuicio de ello, los contenidos del material que se presenta son útiles a toda persona interesada en la eficiencia energética y para los conductores de cualquier tipo de vehículos, incluyendo los vehículos livianos de uso particular. Es conveniente incorporar aquí el concepto de eficiencia energética, que se refiere al mejoramiento de la relación entre la energía consumida por cierta actividad y los productos y servicios finales que se obtienen. En transporte carretero de carga, por ejemplo, el producto de la actividad es el traslado de ciertas cargas entre determinados pares origen/destino: una operación será más eficiente energéticamente en la medida que pueda realizar los mismos traslados de material con un menor consumo de combustible. Para mejorar la eficiencia energética existen distintas medidas, entre las cuales una de las más importantes es la capacitación de los conductores, actor de relevancia principal en este tema, pues mediante su accionar de los controles del camión, se determina cuánto combustible se utiliza. Usualmente, para capacitar a los conductores se requiere de la figura de un monitor, como se denomina

8 Conducción eficiente en transporte de carga usualmente a la persona encargada en la empresa de capacitarlos en las técnicas de conducción eficiente necesarias para mejorar su desempeño. La conducción eficiente, además del beneficio obvio de ahorrar combustible, tiene otros aspectos positivos: disminuye los riesgos de accidentes, reduce las necesidades de mantenimiento de los vehículos y ayuda a preservar la calidad del medioambiente. Este libro incluye contenidos sobre aspectos técnicos del funcionamiento de los motores y los vehículos y recomendaciones para minimizar los consumos de combustible que genera la acción de conducir, así como recomendaciones para la organización de actividades de capacitación. Esta presentación, que combina asuntos teóricos y prácticos, proviene de la convicción de que es preciso implementar dos líneas de acción para mejorar la eficiencia energética en el transporte. Por una parte se requiere que los conductores tengan un mínimo de comprensión de la manera como se produce el movimiento de los vehículos y de la relación que existe entre el combustible consumido y el movimiento. Por otra, es indispensable que los conductores entiendan que los consumos están determinados por las acciones físicas que ellos realizan personalmente a bordo de los vehículos. Además, la publicación aborda temas complementarios atingentes a la conducción eficiente como peso, carga y estiba; uso del tacómetro; ruedas y neumáticos; prevención de riesgos; mantenimiento, y alistamiento. En la tercera y última parte del libro, se entregan recomendaciones que ayudarán al monitor a llevar a cabo cursos de capacitación que no sólo entreguen los contenidos adecuados, sino que también se desarrollen de una manera interesante y atractiva para los participantes

9 Parte 1 Funcionamiento del vehículo El motor de combustión interna El ámbito de este libro es la eficiencia energética aplicada a vehículos equipados con motores de combustión interna, por lo que conviene comenzar considerando aspectos del diseño y funcionamiento de estos motores. Desde el punto de vista de la eficiencia energética, y al margen de su construcción mecánica, conviene entender el motor como una unidad cuyo propósito es generar movimiento empleando la energía contenida en un combustible; recuérdese que en términos físicos la energía es la capacidad de realizar trabajo, es decir, de mover una masa sobre una distancia. Más precisamente, se puede entender que el motor convierte en movimiento la energía química contenida en el combustible. El proceso que hace posible dicha conversión es la combustión, que esencialmente consiste en quemar el combustible, es decir en combinar sus componentes químicos con oxígeno en condiciones que generan calor, gas y luz, lo que se percibe como el fenómeno llamado fuego o incandescencia. El motor de combustión interna se puede entender entonces como un aparato que por una parte recibe combustible y aire, y por otra entrega gases, calor y movimiento. El uso del término quemar tiene una intención y un sentido literal. En el interior de los motores el combustible se quema de manera tan real como se quema un fósforo al encenderlo, como se quema el gas en una cocina o como se quema la pólvora de un cartucho de perdigones al disparar una escopeta, solo que de manera más eficiente y más potente. El funcionamiento del motor está organizado de tal manera que al producirse el encendido de la mezcla de aire y combustible al interior de una cámara cilíndrica, se genera una expansión muy rápida de gases incandescentes, la que fuerza el movimiento de un dispositivo denominado pistón, el que por medio de dispositivos mecánicos genera torque, que es la capacidad de hacer girar un cuerpo. El punto de partida es que los conductores entiendan que: a) entre todos los pequeños actos que ellos ejecutan al conducir, el acto de quemar combustible es el más significativo y b) ellos están básicamente en control de dicho proceso: el combustible no se quema espontáneamente en los motores, se quema como resultado de acciones muy precisas que realiza el conductor

10 Conducción eficiente en transporte de carga Modelo esquemático de un motor El motor de combustión interna se puede entender como un aparato que recibe combustible y aire y entrega gases, calor y movimiento. COMBUSTIBLE AIRE Existen dos tipos principales de motores de combustión interna, el de encendido por chispa y el de encendido por compresión. En el primero existe un dispositivo que proporciona una chispa en el momento adecuado para producir el encendido y la expansión de la mezcla; estos motores emplean combustibles como la gasolina, el gas licuado de petróleo GLP y el gas natural y se conocen genéricamente como motores Otto. En el segundo grupo el encendido y expansión de la mezcla se produce espontáneamente cuando ella ha alcanzado una presión y una temperatura muy altas, lo que ocurre debido a las propiedades del combustible que usa, que se denomina diésel. Hemos dicho que el motor de combustión interna convierte la energía del combustible en movimiento, el que en términos físicos no es sino otra forma de energía que se denomina energía mecánica. Esto da lugar a una relación entre la cantidad de energía mecánica obtenida y la cantidad de energía química contenida en el combustible que se ha quemado para generarla, relación que se conoce como eficiencia térmica y que se acostumbra expresar como un porcentaje. Por muchos años la eficiencia térmica de los motores a gasolina estuvo muy por debajo del 20 %, pero importantes mejoramientos en su diseño la han elevado a aproximadamente un 25 %. Entre los motores diésel para aplicaciones automotrices hasta hace algunos años la eficiencia era de alrededor del 30 %, pero actualmente se observan valores del orden del 35 % y se anticipa que en el futuro próximo probablemente se alcance el 40 %. Nótese entonces que el motor diésel es inherentemente más eficiente que el de gasolina en el uso de la energía que emplea para producir movimiento. Estas cifras significan que en motores de gasolina, de cada $1.000 de combustible que ingresan al estanque del vehículo el uso efectivo equivale a unos $250 y el desperdicio a los otros $750. En los motores diésel la relación es de $350 de uso efectivo de $650 de desperdicio. Es natural preguntarse qué ocurre con el remanente de la energía que llevaba el combustible al ingresar al motor para producir la combustión. La respuesta es que se convierte en calor en los diferentes sistemas y componentes del vehículo, como el mismo motor; el sistema de enfriamiento, especialmente el radiador; el sistema de escape para evacuación de los gases -10-

11 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE remanentes de la combustión; los sistemas de auxiliares de apoyo, como las bombas de fluidos y los inyectores; las unidades de generación de electricidad, etc. El calor generado se disipa hacia la atmósfera aumentado la temperatura del ambiente circundante, sin que esta proporción de la energía del combustible contribuya a la generación del movimiento del vehículo. Los rangos de eficiencia térmica citados son teóricos, en cuanto se refieren a motores en condiciones ideales de funcionamiento. La mayoría de los motores en operación práctica tienen eficiencias menores a las indicadas en los párrafos precedentes, en ocasiones bastante menores, ya que tratándose de sistemas complejos formados por numerosas piezas y partes, muchas de ellas movibles, naturalmente en el curso normal de su uso el desempeño se deteriora. Entre las causas de este deterioro se pueden mencionar a modo de ejemplo desgaste de componentes; fallas de estanqueidad de las cámaras donde se produce la combustión, lo que genera pérdidas de presión; insuficiente precisión en la oportunidad en que se inyecta el combustible; desajustes y holguras inadecuadas entre las diferentes piezas empleadas para generar el movimiento; quema incompleta del combustible inyectado; y presencia de partículas residuales de carbón que dificultan la combustión. Los motores de combustión interna, entonces, son esencialmente ineficientes y su operación trae aparejado un desperdicio importante de la energía que hay en el combustible. Y a pesar de que los nuevos diseños continúan incorporando mejorías, no hay señales de que esta situación vaya a mejorar significativamente en el corto o mediano plazo. Por ello, las medidas de mejoramiento de eficiencia que se adopten se deben entender como un esfuerzo para minimizar el inevitable desperdicio y para mejorar en la medida de lo posible una situación que en todo caso es altamente desventajosa desde el punto de vista del uso de recursos. Estas ideas deben estar en la fundación de todo esfuerzo para lograr mejoramientos de eficiencia en el uso del combustible en transporte. Hemos mencionado anteriormente que el movimiento causado por la expansión de los gases de la combustión, que es un movimiento en línea recta de un pistón al interior de un cilindro, se convierte por medio de dispositivos mecánicos en torque, que es la capacidad de hacer girar un cuerpo. En realidad el movimiento del pistón en el cilindro es un proceso cíclico complejo que ocurre en varias etapas, durante las cuales se ingresa aire, se lo comprime, se inyecta combustible, se produce la combustión seguida del movimiento del pistón causado por la presión que ejercen los gases en expansión y se expulsan los gases remanentes, para dar lugar al inicio de un nuevo ciclo. El pistón está conectado por medio de una pieza llamada biela a un mecanismo denominado cigüeñal, construido de tal manera que el movimiento lineal del pistón causa que el cigüeñal adquiera un movimiento continuo de rotación. La velocidad de rotación se mide en revoluciones por minuto (rpm) y depende de la cantidad de combustible que se queme en los cilindros; mientras más combustible se quema más rápido gira el cigüeñal. La rotación del cigüeñal se captura en un disco localizado en el exterior del motor que se denomina volante. El volante es la pieza que en efecto recibe y transfiere el torque que genera el motor. -11-

12 Conducción eficiente en transporte de carga Esquema de las fases de un motor de cuatro tiempos El movimiento del pistón en el cilindro es un proceso cíclico de cuatro fases: a) admisión, b) compresión, c) expansión y d) expulsión. (CC) Eric Pierce, Inicio del ciclo a) Admisión: descenso del pistón aspira aire (en el caso de un motor diésel) o una mezcla de aire y combustible (motor de gasolina). La válvula de escape está cerrada y válvula de admisión abierta. b) Compresión: ascenso del pistón comprime el aire o la mezcla de aire y combustible. Ambas válvulas están cerradas. c) Explosión y expansión: en el caso del motor diésel se inyecta el diésel a través del inyector, que se autoinflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En el caso del motor de gasolina se inflama la mezcla de aire y combustible a través de una chispa producida en una una bujía. La explosión aumenta la presión y empuja el pistón, haciéndolo descender. Ambas válvulas están cerradas. d) Escape: ascenso del pistón empuja los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta, mientas la de admisión se encuentra cerrada. -12-

13 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE La generación de torque es en definitiva el propósito de operar el motor de un vehículo, pues el torque se puede aplicar a las ruedas para que el vehículo se mueva. Lo que interesa destacar en este punto es que la magnitud del torque generado está en relación directa con la cantidad de combustible que se haya quemado al interior del motor, mientras más combustible se queme más torque se genera y queda disponible para mover el vehículo. Para hacer posible el movimiento de un vehículo, a medida que se incrementa el peso que se transporta se necesitan cantidades crecientes de torque, ya que el peso adicional hace más difícil poner las ruedas en movimiento y mantenerlas girando. Lo mismo ocurre para incrementar la velocidad de un vehículo que ya está en movimiento, porque hacer girar las ruedas más rápidamente requiere más esfuerzo que mantenerlas girando a velocidades más bajas. Queda claro entonces que una consecuencia de la manera como operan los motores de combustión interna es que para mover vehículos más pesados o para moverlos más rápidamente es necesario quemar cantidades crecientes de combustible. Debido a las altas presiones a las cuales trabaja, el motor diésel en general es más robusto y pesado que el motor Otto, característica que en gran medida ha determinado las aplicaciones de cada uno de ellos. En aplicaciones de vehículos pesados el motor diésel ha sido preponderante por muchas décadas y continúa siéndolo, sin perjuicio de que en años recientes se han introducido motores Otto para aplicaciones pesadas que usan gas natural, principalmente debido al descubrimiento de grandes yacimientos de shale gas, especialmente en Norte América; esto ya venía ocurriendo en segmentos específicos, como los buses de transporte urbano y los camiones livianos de reparto, especialmente como una manera de reducir las emisiones de gases contaminantes. Los motores Otto de gasolina han sido históricamente dominantes en vehículos livianos, pero el uso de alternativas diésel para este propósito se ha expandido debido a su economía, ya que este tipo de motor no solo es más eficiente en su uso de combustible, sino que además el precio del diésel es menor que el de la gasolina. Como el combustible se quema en el interior de las cámaras cilíndricas que forman el componente principal del motor, se entenderá intuitivamente que para quemar más combustible a fin de generar más torque hará falta que el motor tenga cilindros adicionales o bien cilindros de mayor volumen. A lo largo de la evolución de los motores de combustión interna para aplicaciones automotrices, que ya supera los cien años, se han construido y probado en condiciones reales de funcionamiento muchos diseños diferentes. En vehículos diésel pesados el diseño que ha llegado a ser dominante es una evolución que lleva seis cilindros dispuestos en una línea, de entre y cc de volumen cada uno, dando lugar a un volumen total de entre 11 y 15 litros, es decir, entre y cc. También se han usado soluciones de más cilindros, como el histórico V-8, que llevaba ocho cilindros dispuestos en dos grupos de cuatro cada uno, todos convergiendo a una línea común, de tal manera que se formaba una estructura con forma de V. Actualmente muchos vehículos livianos se construyen con motores de cuatro cilindros y volúmenes totales de entre y cc, pero también existen otras configuraciones que permiten mayores volúmenes, entre ellas el V-6, que sigue el concepto del antiguo V-8 pero a una escala más reducida. Es costumbre referirse al volumen total disponible para quemar combustible en un motor como su cilindrada. -13-

14 Conducción eficiente en transporte de carga Potencia, esfuerzo y velocidad En la discusión de los fundamentos de los motores de combustión interna se mencionó que en física la energía se entiende como la capacidad de realizar trabajo. El trabajo, por su parte es el acto de mover una masa sobre una distancia. Teniendo el concepto de trabajo presente, se puede pasar a considerar el concepto de potencia, que es la cantidad de trabajo o esfuerzo que se puede realizar por unidad de tiempo. En otros términos, la potencia incorpora la idea de la rapidez con que se puede ejecutar un cierto esfuerzo físico. En general, mover un peso mayor en un intervalo de tiempo predeterminado o mover un mismo peso más rápidamente requerirá más potencia. Históricamente la potencia se ha medido en horsepower o hp. El origen de esta unidad se atribuye al ingeniero escocés James Watt, de quien se dice que alrededor del año 1780, observando a los caballos que se ocupaban para mover la rueda de los molinos industriales de la época, estimó que un caballo desarrollaba una potencia equivalente a la necesaria para levantar un peso de unos kilos a 1 m de altura en 1 minuto, o lo que es igual, para levantar un peso de 75 kilos a 1 m de altura en 1 segundo, estableciendo de esta manera el caballo de potencia como unidad estandarizada para medir potencia. Otra unidad usada a menudo es el caballo de vapor o cv, inventada en Francia para su uso en el sistema métrico. Las dos unidades son virtualmente equivalentes, 1 cv es igual a 0,98 hp. Esquema del significado de un hp James Watt estimó que un caballo desarrollaba una potencia equivalente a la necesaria para levantar un peso de unos kilos a 1 m de altura en 1 minuto, o lo que es lo mismo, para levantar un peso de 75 kilos a 1 m de altura en 1 segundo, estableciendo de esta manera el caballo de potencia como unidad estandarizada para medir potencia. 75 Kg -14-

15 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE Típicamente los vehículos pesados de carga para uso en carreteras desarrollan entre 250 hp y 400 hp. Para tener un concepto de lo que esto significa en términos de capacidad de realizar trabajo, considérese que la potencia de una persona bien entrenada físicamente se estima en entre 0,10 y 0,15 hp, de manera que para proporcionar con seres humanos la potencia equivalente a la de un vehículo de 250 hp se necesitarían entre y personas. En la operación de un vehículo el esfuerzo que interesa considerar es el torque que se aplica a las ruedas para obligarlas a rotar, lo que produce como resultado el efecto de mover el vehículo. Para aplicar más torque a las ruedas, sea para transportar mayor peso o para transportar un mismo peso más rápidamente, se requerirá que el motor proporcione más potencia, lo que se logra quemando más combustible. La potencia máxima que es capaz de producir un motor depende de varios factores, entre los cuales el espacio disponible para quemar el combustible, es decir la cilindrada que se mencionó en la sección precedente, es uno de los más importantes; en general para incrementar la potencia máxima disponible será necesario emplear motores más grandes. El tópico potencia es muy relevante en el contexto de la eficiencia energética y conviene considerar dos asuntos: la determinación de la potencia máxima necesaria en los vehículos y el uso de potencia en el curso normal de la conducción. Es preciso tener presente como cuestión básica que la potencia no es en sí misma un factor indicativo de calidad : los vehículos más potentes no son necesariamente mejores. La potencia máxima apropiada depende de las características y circunstancias de las operaciones que se realizan con el vehículo. La tendencia a asimilar potencia a calidad suele tener la consecuencia de emplear vehículos más grandes y pesados de lo que realmente es necesario, con un impacto significativo en los costos de operación y desde luego en los consumos energéticos. En el curso normal del funcionamiento del motor la potencia generada depende de la cantidad de combustible que se quema en sus cilindros. Velocidades de viaje más altas y, por sobre todo, aceleraciones fuertes y repentinas producen consumos adicionales de combustible muy significativos. La idea que la generación de potencia está completamente bajo el control del conductor, quien la determina por medio de la presión que ejerce sobre el pedal de aceleración, es uno de los conceptos fundacionales de todo programa de eficiencia energética en el transporte. En definitiva, los consumos de combustible están determinados principalmente por el estilo de conducción. Existe la opinión que la incorporación a los vehículos de tecnologías de control de los consumos de combustible, especialmente en vehículos para uso particular, estaría haciendo el estilo de conducción cada vez menos relevante a la eficiencia energética, ya que dichas tecnologías simplemente impedirían que se haga uso ineficiente o mal uso del combustible, independientemente de las acciones del conductor. No es imposible que algo así ocurra y, de hecho, han emergido y siguen emergiendo tecnologías de este tipo, pero no existe ninguna certeza de que se generalicen en el futuro inmediato. Un buen ejemplo que ilustra las dificultades de anticipar los efectos de determinadas tecnologías es el caso de la evolución de los tamaños, pesos y potencia de las camionetas y SUV s en las dos últimas décadas. A medida que se fueron introduciendo tecnologías de uso más eficiente del combustible la industria fue haciendo crecer los tamaños y pesos de tales vehículos, con el sólido y entusiasta apoyo del mercado. De hecho, algunas de las camionetas disponibles en la actualidad seguramente son las más grandes y pesadas para uso particular que se han construido en la historia de la -15-

16 Conducción eficiente en transporte de carga industria, bien por sobre los tamaños y pesos que se observaban desde los años 50 y hasta bien entrados los años 70, cuando surgió el concepto de vehículo compacto, precisamente en respuesta a una crisis energética global. Esto significa que en las dos últimas décadas, contrariamente a lo que hubiese sido razonable esperar, los mejoramientos de eficiencia no se tradujeron necesariamente en ahorros netos en los consumos agregados de combustible, sino que al menos en alguna medida se emplearon para hacer posible el uso de vehículos más pesados con consumos similares a los que existían anteriormente. En resumen, el uso de la potencia disponible de una manera apropiada a las circunstancias de cada viaje es elemento central de todo esfuerzo orientado a mejorar la eficiencia energética de una operación de transporte y fundamentalmente depende de la actitud del conductor y de su estilo de conducción. Las velocidades demasiado altas, las aceleraciones bruscas, los cambios frecuentes de régimen de marcha, los cambios de pista repentinos, la ejecución demasiado rápida de virajes pronunciados, y las secuencias de detenciones y partidas no indispensables son algunos ejemplos de estilos de conducción que se traducen en uso innecesariamente intenso de la potencia disponible y que en consecuencia incrementan los consumos de combustible; el hecho que un motor sea capaz de entregar un cierto nivel de potencia no significa que se deba ocupar la totalidad de esa potencia en cada sector o tramo de cada viaje. El uso juicioso de la potencia disponible es uno de los principales factores que distinguen la conducción eficiente y se relaciona con un aspecto específico de ella, que el conductor debe adoptar una actitud de atención deliberada al funcionamiento del vehículo, de tal manera que perciba de manera consciente y explícita que existe una cierta potencia disponible en su vehículo y que la parte de ella que efectivamente emplea es una decisión y una responsabilidad que queda completamente en sus manos. Esta decisión debe resultar de una evaluación continuada de las condiciones de conducción, las que sirven como datos de entrada para tomar cientos de pequeñas decisiones que en su conjunto integran la actividad de conducción. -16-

17 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE Tren de propulsión y esfuerzo en las ruedas El torque que genera el motor se recibe y almacena en un disco metálico llamado volante, que se localiza en el extremo posterior del motor. El volante gira a una velocidad de rotación que se mide en revoluciones por minuto (rpm) y que como ya se ha explicado depende de la cantidad de combustible que se queme en los cilindros del motor, cantidad que el conductor controla por medio del pedal de aceleración. Motor diésel El torque que genera el motor se recibe y almacena en un disco metálico llamado volante, que se localiza en el extremo posterior del motor. El volante está acoplado a un sistema llamado tren de propulsión o tren de transmisión, cuyo propósito es transmitir el torque a las ruedas para generar el movimiento del vehículo. El primer componente de este sistema se instala conectado directamente al volante y se conoce como caja de velocidades, caja de engranajes o transmisión ; en lenguaje coloquial en Chile se la denomina caja de cambios. En los diseños convencionales de transmisión trasera, desde la caja de velocidades sale una pieza llamada eje cardán, la cual gira en sentido transversal al eje longitudinal del vehículo y cuya función es transferir la rotación del volante a un componente llamado diferencial, desde donde el giro se transmite a las ruedas. -17-

18 Conducción eficiente en transporte de carga Esquema del sistema de transmisión El volante del motor está acoplado a un sistema llamado tren de propulsión, cuyo propósito es transmitir el torque a las ruedas para generar el movimiento del vehículo. Motor Transmisión Eje cardán Diferencial La caja de velocidades o transmisión esencialmente es un ensamblaje de engranajes, cuyo propósito es determinar la velocidad de rotación de los componentes del tren de propulsión. El montaje de dichos engranajes hace posible transferir el movimiento de tal manera que la velocidad de giro del cardán a la salida de la caja sea distinta de la velocidad de giro del volante a su entrada. La conversión de la velocidad de rotación que se produce en la transmisión depende de los engranajes que se usen para acoplar la rotación de entrada con la rotación de salida, más específicamente del diámetro y número de dientes de dichos engranajes. La relación entre el número de giros que realiza el engranaje que recibe la rotación (de entrada) y el que realiza el que la entrega (de salida) se denomina relación de transmisión o relación de engranajes. Por ejemplo si la relación de transmisión es de 2:1 el engranaje de entrada ejecutará dos giros por cada giro que ejecute el engranaje de salida. Engranajes La conversión de la velocidad de rotación que se produce en la transmisión depende de los engranajes que se usen para acoplar la rotación de entrada con la rotación de salida, más específicamente del diámetro y número de dientes de dichos engranajes. Isparku (CC) -18-

19 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE La función de conversión de velocidades de la caja de engranajes es importante porque el esfuerzo que realizan las ruedas está relacionado con su velocidad de giro. Dado un cierto rango de velocidad de rotación del volante, es decir un cierto nivel de potencia disponible como resultado de la quema de combustible en el motor, las ruedas serán capaces de realizar un mayor esfuerzo si se las hace girar a velocidades más bajas que si se las hace girar a velocidades más altas. En las transmisiones automotrices típicamente se ensamblan parejas de engranajes que tienen diferentes relaciones de transmisión, lo que permite que la transmisión opere a diferentes velocidades, cada una asociada a diferentes niveles de torque. Los engranajes de diámetros mayores se usan para pasar al cardán y a las ruedas una capacidad de realizar mayores esfuerzos a velocidades menores, mientras que los de diámetros menores se usan para hacer que las ruedas giren más rápidamente, pero con menor capacidad de realizar esfuerzo. Los engranajes de diámetros mayores se usan para pasar al cardán y a las ruedas una capacidad de realizar mayores esfuerzos a velocidades menores mientras que los de diámetros menores, para hacer que las ruedas giren más rápidamente, pero con menor capacidad de realizar esfuerzo. Entrada Salida Mayor rpm de salida Mayor torque de salida Caja de engranajes En las transmisiones automotrices típicamente se ensamblan parejas de engranajes que tienen diferentes relaciones de transmisión, lo que permite que la transmisión opere a diferentes velocidades, cada una asociada a diferentes niveles de torque. -19-

20 Conducción eficiente en transporte de carga Desde el punto de vista de su manera de operar, existen tres tipos principales de transmisión: mecánicas o manuales, mecánicas de accionamiento automatizado y automáticas hidráulicas. En las transmisiones manuales el conductor selecciona la relación de engranajes a usar por medio de una palanca. En las transmisiones mecánicas de accionamiento automatizado el conductor selecciona la relación de engranajes, pero el acoplamiento de ellos se realiza por medio de un mecanismo automatizado. En las transmisiones automáticas hidráulicas la selección de la relación de engranajes a usar se determina en base a la posición del pedal de aceleración, las rpm a que está funcionando el motor y el peso del vehículo, sin intervención del conductor que no sea la presión que ejerce sobre el pedal de aceleración. Mando de distintos tipos de transmisiones En las transmisiones manuales el conductor selecciona la relación de engranajes a usar por medio de una palanca. En las transmisiones mecánicas de accionamiento automatizado el conductor selecciona la relación de engranajes, pero el acoplamiento de ellos se realiza por medio de un mecanismo automatizado. En las transmisiones automáticas hidráulicas la selección de la relación de engranajes a usar se determina sin intervención del conductor. El asunto a destacar desde el punto de vista de la conducción eficiente es que la transmisión es una herramienta que el conductor emplea para aplicar a las ruedas el torque necesario para lograr el movimiento deseado bajo las condiciones de conducción existentes. En las transmisiones mecánicas el conductor adquiere un control virtualmente total del torque que se aplicará a las ruedas. En las transmisiones hidráulicas automáticas, el control de conductor se ejerce fundamentalmente a través de la presión que el aplica al pedal de aceleración, ya que ésta determina las rpm de funcionamiento del motor. El diferencial también es un ensamblaje de engranajes y en diseños convencionales de transmisión trasera va localizado al extremo del tren de propulsión opuesto al de la transmisión, es decir, frente a las ruedas motrices. Su rol principal es transformar la rotación del cardán que ocurre en sentido transversal al eje longitudinal del vehículo en la rotación de los ejes de las ruedas que ocurren en sentido longitudinal al mismo, lo que ocurre por intervención de dos piezas, el piñón de ataque y la corona. -20-

21 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE Diferencial El diferencial se compone de las siguientes partes: 1) Corona 2) Piñón satélite 3) Eje cardán 4) Piñón de ataque 5) Eje derecho 6) Piñón planetario 7) Eje izquierdo Una función adicional del mecanismo es hacer posible que las ruedas a cada uno de sus costados giren a velocidades distintas, lo que es necesario para recorrer las curvas sin inconvenientes, ya que en ellas la distancia que debe recorrer la rueda exterior es mayor que la distancia que debe recorrer la rueda interior. Esto se consigue por medio de la acción de cuatro engranajes cónicos, denominados planetario y satélite. Diferencial libre y bloqueado El torque del eje cardán se aplica a la corona (azul), que gira completa y está conectada a ambos extremos (rojo y amarillo), conocidos como satélites, sólo a través del engranaje planetario (verde). En trayectoria recta la resistencia de ambos satélites es equivalente, por lo que el planetario se traslada sin rotar y ambas ruedas giran a la misma velocidad. Si la resistencia de uno de los dos lados es mayor, por ejemplo en una curva, la diferencia se compensa con el movimiento del planetario que, además de trasladarse, rota. (CC) Eric Pierce. Marcha en trayectoria recta Marcha en trayectoria curva -21-

22 Conducción eficiente en transporte de carga Al igual que la caja de velocidades o transmisión, el diferencial tiene una relación de engranajes, la cual indica cuantos giros deben realizar el cardán y el piñón de ataque para que la corona y en consecuencia las ruedas completen un giro, relación que se conoce como reducción. En el diferencial, sin embargo, esta relación es fija para cada diseño y está calculada para conseguir un efecto multiplicador, es decir para incrementar el torque que desde el cardán se transfiere a las ruedas, de tal manera que estas sean capaces de hacer el esfuerzo necesario para mover el vehículo en las condiciones de operación que debe enfrentar. Diferencial Dibujo realista de un diferencial. (CC) Dr. Junge Las características del diferencial son importantes desde el punto de vista de la operación y también desde el punto de vista de la eficiencia energética. En lo operacional hay que tener presente que la reducción (relación entre la velocidad de giro del cardán y de la corona y la de las ruedas) determina la velocidad que se puede lograr con el vehículo y el torque que llega a las ruedas. Por ejemplo, en un camión para faenas de construcción la reducción puede ser de 4,3:1, mientras que un camión de carretera puede ser 7,01:1, de manera que el vehículo faenero podrá moverse en condiciones de terreno muy exigentes, pero no podrá alcanzar las velocidades que alcanza el tractor carretero, el cual por su parte difícilmente podría operar en sitios de construcción. El diferencial es relevante como factor de eficiencia energética, porque para alcanzar una cierta velocidad a reducciones más altas el motor funciona a mayores rpm de lo que sería necesario a reducciones más bajas, lo cual significa que se emplea más potencia y por lo mismo se generan mayores consumos de combustible. La reducción es una característica del diferencial que es poco práctico y costoso modificar, por lo que determina límites bien definitivos a los usos a los cuales se pueden poner diferentes vehículos. -22-

23 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE Parte 2 Elementos que afectan al consumo Rendimientos y consumos de combustible En la discusión de los motores de combustión interna se enfatizó que su capacidad para convertir la energía química del combustible en energía mecánica en aplicaciones automotrices, es decir su eficiencia térmica, está limitada a cerca del 25 % en el caso de los motores a gasolina y del orden del 35 % en el caso de los motores diésel. Interesa ahora entender con un poco más de detalle el impacto que esta baja eficiencia térmica tiene sobre el desempeño de los vehículos en las condiciones operacionales prácticas de la industria del transporte. Conviene tener presente en primer lugar que el consumo de combustible de un motor en sí mismo es algo bien diferente del consumo de combustible de un vehículo equipado con ese motor. El consumo de un motor se expresa como la cantidad de combustible que se utiliza para producir una potencia determinada durante un cierto período de tiempo, se denomina BSFC ( brake specific fuel consumption ) y se mide en laboratorios de prueba con protocolos especializados, en unidades tales como gr/hp-hora. Este tipo de información es técnicamente interesante, pero de muy poco o ningún uso para los fines y propósitos de los operadores de transporte, aún menos para los conductores. Por otra parte, el consumo de un vehículo se define como la cantidad de combustible que se debe quemar para que el vehículo recorra una cierta distancia y típicamente se mide en litros por cada 100 kilómetros. El rendimiento es el inverso del consumo, se define como los kilómetros que un vehículo recorre con un litro de combustible y se mide en kilómetros por litro. Algunas cifras referenciales que conviene manejar: una combinación tractor-semirremolque de antigüedad promedio, en razonable estado de mantenimiento, operando en carretera con una carga de unas 20 toneladas probablemente rinda unos 2,5 km/l, lo que significa que consumirá unos 40 litros para recorrer 100 kilómetros; tractores de última generación en muy buen estado bajo las mismas condiciones de operación pueden tener rendimientos por sobre los 3,0 km/l, lo que significa que solo emplean alrededor de 33 litros para recorrer 100 kilómetros. Los motores a gasolina de vehículos livianos pueden rendir desde unos 5 km/l a -23-

24 Conducción eficiente en transporte de carga más de 25 km/l, dependiendo del tamaño, el tipo de motor que llevan y otras características. Los furgones y vans diésel livianos probablemente rinden unos 12 km/l. Es importante hacer explícitamente la distinción entre el consumo de un motor y el consumo o rendimiento de un vehículo, porque en la industria a menudo se observa una tendencia entre los operadores y conductores a relacionar el desempeño energético de sus vehículos casi exclusivamente con el desempeño del motor. Como consecuencia de esta aproximación es frecuente que no se identifiquen y, de hecho, se pierdan oportunidades de aplicar medidas de eficiencia energética que pueden tener un impacto tanto o más significativo que el del motor. Por cierto, los operadores pueden y deben tomar importantes medidas para asegurar el mejor desempeño energético que sea posible de sus motores y todas ellas esencialmente consisten en actividades de mantenimiento. Pero esto está muy lejos de cubrir todo el universo de las acciones de eficiencia energética que se pueden adoptar en la industria del transporte. Es crucial entender que además de depender del tamaño, características y estado de mantenimiento del motor los consumos de combustible dependen de muchos otros factores, entre los cuales se pueden mencionar la calidad y limpieza del combustible; las condiciones climáticas, tales como la ocurrencia de viento, lluvia, nieve y hielo; las características de la vía, su trazado, su gradiente, su carpeta de rodado y su estado de mantenimiento; el peso del vehículo y de su carga, así como su estado de mantenimiento; el estado y nivel de inflado de los neumáticos; las características aerodinámicas de la carrocería y de la disposición de la carga; el régimen de marcha o secuencia de aceleraciones, velocidades y detenciones que componen el viaje; la velocidad de crucero y la velocidad máxima del viaje; y por supuesto el estilo de conducción, factor de extrema importancia. Esta gran cantidad de factores explica que los rangos referenciales disponibles sobre estimaciones de consumo sean en general tan amplios que llegan a ser inservibles para adoptar planes de acción prácticos. De ello surge un asunto de decisiva importancia para el éxito de todo programa de mejoramiento de eficiencia energética: la única manera de disponer de datos útiles, usables y confiables sobre los consumos y rendimientos es medirlos en las condiciones prácticas de cada operación, vehículo a vehículo, viaje a viaje y conductor a conductor. Cualquier empresa que se decida a gestionar su flota considerando sistemáticamente la incorporación de principios de eficiencia energética debe encontrar la forma de contar con ese nivel de datos. La información ocasional y recolectada informalmente no es útil para este propósito y generalmente lleva a conclusiones inciertas o definitivamente equivocadas. Todo proceso de recolección y procesamiento de datos está sujeto a errores, de manera que aún con un programa de medición de consumos bien diseñado es preciso incorporar sensibilizaciones y validaciones de consistencia a los cálculos, de tal manera que se asegure la validez de los resultados. También es importante tener presente que si bien las cifras promedio tienen un uso para evaluar el desempeño global de las flotas, no son suficientes para desarrollar acciones efectivas que generen reducciones permanentes de consumo, ya que suelen ocultar numerosas situaciones de potencial de ahorro que ameritan acción para materializar mejorías. A menudo, las acciones a tomar para lograr mejoramientos necesitan ser específicas para determinados vehículos, rutas, tipos de viajes y conductores. En un programa exitoso, la persona responsable obligatoriamente debe ser capaz de rastrear sus datos agregados, por ejemplo el consumo total de combustible y el kilometraje total recorrido, al nivel elemental de los datos, cada vehículo, cada viaje y cada conductor. -24-

25 Agencia Chilena de Eficiencia Energética AChEE Por cierto la recolección y procesamiento de datos puede ser costosa y en ocasiones ofrece dificultades técnicas no menores. Suele ser necesario hacer inversiones en equipamiento computacional y de seguimiento satelital o terrestre de los vehículos, en software, en contratación de personal, en adquisición de asesoría especializada experta. Toma tiempo llegar a la operación satisfactoria de sistemas que generen rutinariamente los datos necesarios para el control y seguimiento estricto de consumos y rendimientos, por eso este es un curso de acción inescapable para empresas que se aproximen seriamente a la gestión de sus consumos energéticos. Sin la generación continuada de datos de buena calidad es imposible establecer sistemas de seguimiento que rindan frutos en la forma de reducciones de consumos. Al respecto, la evidencia nacional e internacional sobre la materia muestra sin lugar a dudas que los ahorros generados en los consumos de combustible no solo pagan dichas inversiones, sino que además los pagan en períodos sorprendentemente cortos, generalmente entre unos cuantos meses y un par de años. Para evaluar el impacto de estos desarrollos en casos particulares no se necesitan técnicas o indicadores matemáticos complejos, basta con considerar estimaciones de costo del desarrollo del sistema que se requiere y compararlas con un rango razonable de ahorros potenciales debido a reducciones de consumo de combustible que generará la disponibilidad de datos de buena calidad. Como en la mayoría de las empresas el combustible representa alrededor del 30 % del costo total de la operación, generalmente el resultado del ejercicio indica que existe espacio más que suficiente para financiar las inversiones involucradas y recuperarlas en plazos razonables. Además, virtualmente en todas las empresas los recursos de hardware computacional tales como redes de comunicación, servidores, estaciones de trabajo, impresoras, etc., existen por otras razones, de manera que el desarrollo de sistemas de seguimiento de eficiencia energética casi nunca requiere inversiones adicionales de este tipo. Aplicaciones y especificaciones de vehículos El término aplicación se emplea para referirse al uso que se hace de los vehículos e incorpora elementos tales como la distinción entre transporte de carga y de pasajeros; el medio ambiente en que se ejecutan los viajes, su temperatura y su altura sobre el nivel del mar, por ejemplo zonas costeras, mediterráneas templadas, desiertos, montaña, llanuras altiplánicas, etc.; las condiciones climáticas que típicamente ocurren durante los viajes, tales como viento, lluvia, nieve y hielo; la naturaleza urbana o rural de las operaciones; el trazado horizontal de la vía, es decir la secuencia de tramos en trayectorias rectas y curvas; su trazado vertical, es decir la existencia de sectores planos y de subidas y bajadas fuertes o suaves; el tipo de carpeta de rodado, por ejemplo arena, tierra, ripio, adoquín de piedra o mortero, macadam, mejoramiento bituminoso, pavimento de hormigón o de asfalto, etc.; las características de la carga que se transporta, muy especialmente su peso y su relación peso-volumen; el régimen de marcha o secuencia de aceleraciones, detenciones y velocidades a las cuales típicamente se viaja; etc. -25-

26 Conducción eficiente en transporte de carga Es evidente que las características que deben tener los vehículos para lograr desempeños operacionalmente satisfactorios y energéticamente eficientes dependen de la aplicación, lo que significa que cada aplicación tiene sus propios requerimientos. A modo de ejemplo, no sería razonable esperar que un mismo vehículo fuese igualmente apropiado para trabajar en faenas de extracción de trozas desde los bosques que típicamente se localizan en sectores cordilleranos de regiones frías que para realizar viajes interurbanos sobre carreteras y autopistas en regiones templadas. La tarea de definir y seleccionar el vehículo óptimo para cada aplicación se conoce como especificación o configuración y es un proceso complejo que involucra muchos factores y que requiere de ajustes para equilibrar objetivos a veces contrapuestos. Desde luego, es preciso tener presente que los vehículos no se especifican considerando asuntos teóricos e ideales, sino en relación a los componentes y características que concretamente ofrecen los fabricantes, lo que significa que especificar consiste en medida importante en seleccionar entre componentes que se pueden incorporar a diferentes versiones de un mismo vehículo o en seleccionar entre diferentes vehículos. Al respecto los fabricantes normalmente ofrecen un conjunto de opciones, las cuales están disponibles para que los compradores seleccionen entre ellas, de tal manera que puedan construir sus propias versiones de los vehículos, en base a numerosas alternativas de componentes disponibles. Desafortunadamente, en los mercados más pequeños donde no se construyen sino que se importan los vehículos, el rango de opciones disponibles suele ser bastante limitado; es más, las alternativas ofrecidas generalmente no llegan al nivel de componentes sino que se limitan a unas pocas versiones de los vehículos que los importadores y distribuidores de marca especifican de acuerdo a lo que ellos entienden son las necesidades y preferencias del mercado y por supuesto a sus propios intereses comerciales. Esta realidad no debe desalentar a los operadores de empresas mayores que suelen hacer inversiones en flotas por sumas del orden de millones de dólares anualmente, ya que cuando se hacen compras de volumen significativo y plazos apropiados, es posible persuadir a los importadores y distribuidores que emitan al fabricante órdenes de compra que reflejen exactamente el producto que el comprador solicita. Como una manera de entender el proceso, considérese que para especificar correctamente un vehículo de carga puede ser necesario estudiar alternativas respecto de ítems tales como chasis; motor; equipamiento auxiliar de motor; sistema eléctrico; transmisión; retardador; convertidor de torque; caja de transferencia; eje delantero; freno de motor; suspensión delantera; frenos delanteros; dirección; eje trasero y reducción; suspensión trasera; frenos traseros; ruedas y neumáticos; control de inflado de neumáticos; equipamiento del chasis; sistema de aire comprimido; quinta rueda; estanque de combustible; cabina y su equipamiento; ventilación, climatización y aire acondicionado; instrumentación; luces y señales; pintura; dimensiones y pesos; e indicadores de desempeño. A pesar de las limitaciones de oferta que enfrenta un comprador en mercados pequeños, la especificación es un proceso indispensable para asegurar que los vehículos a adquirir sean tan apropiados para la aplicación como sea posible en términos de desempeño, costos de operación y eficiencia energética. Como se puede entender del listado precedente, éste es un proceso que puede requerir una aproximación bastante técnica, por ejemplo para calcular la potencia de motor óptima o para determinar la reducción de diferencial más apropiada, pero que por otra parte en muchos casos se puede simplificar a la consideración de las alternativas -26-

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