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• sergiosego

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1.Introducción: El tema que vamos a abordar en este trabajo, es el funcionamiento y utilización del motor de explosión rotativo, y mas concretamente el motor Wankel. Consideramos de relevante importancia el estudio de dicho motor, debido a que es un componente mecánico desconocido por muchos usuarios, y a pesar de su poca utilización, es un dispositivo de candente actualidad.

2. Historia del motor Wankel: La historia del motor rotativo se remonta a 1924, cuando el alemán Felix Wankel, a sus 22 años, comenzó a trabajar en su idea de un motor en el que los pistones eran sustituidos por un rotor. En la década de los años 30, el joven Wankel recibió el apoyo de las autoridades nazis.

Felix Wankel (1902-1988)

Sin embargo, la el estallido de la II Guerra Mundial y la posterior derrota del III Reich, paralizaron los trabajos, que tras el fin del conflicto fueron reanudados por Wankel y el fabricante de motocicletas NSU, en la hoy extinta República Democrática Alemana.

El primer prototipo, un monorotor bautizado DKM, vio la luz en 1957. Sin embargo, el motor era demasiado complicado, por lo que un año más tarde NSU produjo el KKM, una mecánica de 400 cc. reconocido como el primer propulsor rotativo de la historia. Esta mecánica se veía aquejada por numerosos problemas: fuertes vibraciones a baja velocidad, alto consumo de aceite y muy poco par. Tsuneji Matsuda, entonces presidente de Mazda, vio el inmenso potencial de este motor y tras largas negociaciones, en julio de 1961 la compañía de Hiroshima firmó un acuerdo de cooperación con NSU para el desarrollo de la mecánica rotativa. También Mercedes Benz se interesó por esta planta motriz y desarrolló el prototipo C111, que no tuvo continuidad. NSU también llegó a producir sus propios automóviles con motor rotativo, pero estas mecánicas se rebelaron poco fiables. Tras examinar una unidad Wankel, Mazda creó un grupo técnico de estudio, que inició el desarrollo de su propia versión del motor Wankel. La primera unidad fue completada en noviembre de 1961. Pero ésta presentaba el mismo problema que el NSU: las vibraciones del rotor dañaban las paredes de la cámara de combustión. El equipo dirigido por Kenichi Yamamoto encaró este problema, así como la ineficacia de los segmentos de los vértices del rotor, que aumentaban los daños a las paredes de la cámara de combustión y disparaban el consumo de aceite. En 1963, Mazda había logrado solventar estos males. De forma paralela, la marca japonesa había probado motores de dos, tres y cuatro rotores, todos los cuales obtenían mejores cifras de par y reducían las vibraciones de la versión monorrotor.

Fotos de los diferentes prototipos del motor Wankel:

Prototipo C111

Prototipo DKM

Prototipo KKM

motor rotativo actual.

Se observan muchas analogías entre los propios prototipos y el producto final, esto se debe principalmente a que la idea de motor era clara lo que había que perfeccionar era su rendimiento, sus pérdidas y sus capacidades. Así pues, una vez introducidos en la historia del motor Wankel, lo que nos concierne es estudiar su funcionamiento, sus componentes y sus mecanismos para a posteriori poder analizar su rendimiento y compararlo con otros motores rotatorios y otros motores de combustión. De esta forma la única utilidad del motor wankel en coches es en la marca Mazda con los modelos RX7 Y RX8, el motor se denomina (motor Renesis). En el texto, haremos continuas referencias tanto al motor renesis como a la comparación con el motor de pistones Antes de hablar de su funcionamiento, analizaremos cada una de las partes que componen el motor.

3. Componentes del motor: Bloque: de aleación ligera, en el que se encuentran ubicadas las lumbreras de admisión y escape y en el que en su interior podemos encontrar una camisa, la cual tiene una superficie de rozamiento formada por una capa de cromo molibdeno con recubrimiento de grafito por su cualidad de auto lubricación.

Estator: Consta de dos partes, la primera, el estator periférico y, la segunda, el estator lateral .Debe ser de un material bastante resistente ya

que está expuesto a presiones localizadas, además de gradientes de temperatura muy marcados. En general se fabrica de aleaciones de aluminio recubiertas de acero y cromo. Debe estar dimensionalmente muy bien fabricado para que encaje con el rotor a la perfección y conseguir el sellado de las cámaras. Rotor: tiene forma de prisma triangular con tres lados ligeramente convexos que posee un orificio en el centro con un dentado interno y en el que en cada uno de sus lados podemos encontrar una cámara de combustión. Cada uno de los lados del rotor a medida que va avanzando para completar su vuelta, realizará los cuatro tiempos, lo que quiere decir, que por vuelta habrá tres explosiones. Una parte importante en el rotor son las hendiduras que posee en sus caras laterales, ya que estas influyen notablemente en el rendimiento del motor, ya que determinan la relación de compresión. El rotor del motor rotativo es de hierro fundido.

Este a su vez está formado por: * Segmentos: son las piezas encargadas de conseguir la estanqueidad de las tres cámaras durante el giro del rotor. Estos se encuentran en los vértices ranurados del rotor. * Regletas: provistas de muelles expansores que se instalan en los laterales del rotor para asegurar su contacto con las paredes laterales del bloque.

Árbol motriz: apoyados en sus extremos por rodamientos en las piezas laterales. La transmisión de fuerzas entre el rotor y el árbol se realiza a través de la excéntrica, pieza dentada fijada al árbol sobre la que gira el rotor.

Engranajes de transmisión: El mecanismo se forma de un piñón fijo a la tapa lateral del estator y uno de dientes interiores unido al rotor. La relación entre el número de dientes es lo que proporciona la relación de transmisión 3:1 entre el rotor y el eje de transmisión. Generalmente se trata de engranajes de dientes rectos Mecanismo de sellado: Son segmentos unidos al rotor que garantizan la hermeticidad entre una cámara y otra, y entre el rotor y el estator periférico. Se tienen los segmentos periféricos que se encuentran en cada vértice del rotor y aseguran la estanqueidad entre cámaras adyacentes y los laterales, que son láminas de las que depende el sellado axial del motor. A esto se suman los pernos de anclaje que mantienen unidos los segmentos periféricos y los laterales. Sistema de refrigeración y engrase: La lubricación de los segmentos se realiza añadiendo aceite al combustible mediante un dispositivo dosificador que administra la cantidad de aceite necesario según las revoluciones y la carga del motor. Los cojinetes y rodamiento se lubrican con aceite que se introduce por el árbol motriz (se muestra en la figura siguiente), y sale por orificio practicado en el mismo. La refrigeración se realiza por líquido refrigerante, que circula por los conductos fabricados en el estator, y mediante aceite para las piezas interiores del rotor. Este aceite de refrigeración es el mismo que sirve de engrase a los elementos montados sobre el árbol motriz, rodamientos principalmente.

4. Funcionamiento del motor rotativo: El rotor gira sobre la excéntrica y durante su rotación, los vértices están en contacto directo con la camisa. Por cada vuelta del rotor, el árbol motriz gira tres veces. No hay sistema de distribución, ya que la admisión y escape están controlados por lumbreras del propio rotor. Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones.

Intake=Admisión Compression=Compresión Ignition=Explosión Exhaust=Escape

El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el alojamiento, delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expande y contraen alternativamente; es esta expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la expulsa hacia el escape.

Como podemos observar en la imagen que esta en el pie de este párrafo, cada lado del rotor al terminar su vuelta hará los cuatro tiempos, y finalmente se producirán tres explosiones en el ciclo completo del rotor.

Por si acaso vamos a explicar los diferentes tipos de tiempo, detallando sus características: Primer tiempo o admisión: En esta fase, el rotor gira permitiendo por una de las lumbreras la entrada de la mezcla de combustible. Seguno tiempo o compresión: Aquí y teniendo en cuenta que el giro del rotor es excéntrico se comprime la mezcla. Es decir, como se ha visto en la figura anterior el espacio de la cavidad es menor, por lo tanto, el rotor ejerce presión sobre la mezcla, consiguiendo así una compresión. Tercer tiempo o explosión: La cavidad albergada por la mezcla, ahora, es la menor de todo el ciclo. En este momento de compresión máxima, el combustible se encuentra a la altura de las bujías, que mediante un chispazo accionan la explosión. Es la única fase en la que se obtiene trabajo. Cuarto tiempo o escape: En esta última fase, el combustible se ha convertido en gas debido a la explosión y este se expulsa mediante las lumbreras de escape acabando así el ciclo.

5. ANALÍSIS TÉRMICO: Según el ciclo modelado de Otto, la energía que se suministra es igual a la cantidad de calor que aporta el combustible. La potencia que se registra del motor a un régimen dado es la potencia útil que se obtiene. La diferencia entre estos valores es el calor que se disipa en el motor hacia el ambiente , por los refrigerantes y los que se llevan los gases de combustión:

Para el cálculo de la potencia útil simplemente se multiplica el par producido por las rpm para el régimen del motor:

El cálculo del calor suministrado se realiza multiplicando el flujo másico de mezcla que ingresa a la cámara por el poder calorífico del combustible.

En este punto debemos hallar el flujo másico de combustible o de lo contrario se usa la segunda igualdad, donde el calor específico para el aire se toma de las tablas, la variación de temperaturas se halla asumiendo una combustión estequiométrica completa, además se tiene la presión del PMS de las especificaciones técnicas (850 kPa). El flujo másico del aire para el motor se halla como sigue, para un ciclo:

Donde: - La cilindrada obtenida de las especificaciones se divide entre tres, ya que un giro completo del rotor equivale a tres ciclos completos. N: número de revoluciones de cigüeñal (rev/s) A: número de ciclos por giro de cigüeñal, para este caso se especifican 2 ya que el motor es de doble rotor. Análisis exergético: Se determinan las corrientes de exergía mediante las siguientes fórmulas: Exergía que acompaña a los flujos de calor:

Exergía del la potencia obtenida:

Este motor presenta un inconveniente, que es la pérdida de potencia por fricción en los segmentos de sellado, sin embargo, ésta es menor que la que se genera al vencer la inercia durante la transmisión del movimiento (de lineal a rotatorio) en un motor alternativo mediante el mecanismo de biela-manivela. También hay otros factores de diseño que definen el proceso como irreversible. La diferencia de presiones entre la cámara adelantada y retrasada al momento que avanza el frente de llama puede generar una combustión deficiente en la segunda cámara, este problema se da sólo a velocidades lentas, y por consiguiente fugas de combustible y pérdidas de eficiencia. Estas son las dos principales fuentes de pérdida de potencia en el motor: 1º-La fracción de pérdida de potencia que generan éstas.

2º- Todas las irreversibilidades que se pueden calcular mediante: I = -T0*σ Donde: T0: Temperatura del ambiente σ: factor de irreversibilidad Descripción termodinámica y tecnológica (para Mazda RX8): Parámetros de operación: Se analizará, como se ha venido haciendo, el motor rotativo de dos rotores RENESIS del Mazda RX-8. Se muestra un cuadro obtenido de las especificaciones del proveedor en España para la versión estándar. La cilindrada del motor se calcula como la diferencia entre el volumen máximo de la cámara y el volumen mínimo. Este valor depende de la geometría del rotor que es bastante complicada y entonces la cilindrada unitaria (por cámara) es:

Donde: Los valores de R, a. b y B dependen de la geometría del rotor. De acuerdo a la equivalencia ya mencionada con el motor alternativo, la cilindrada total por rotor es: VT (cilindrada total) = 2*V La relación de compresión para el motor Wankel según la definición de volumen máximo entre volumen mínimo, queda definida como sigue:

Balance de masa: Para el motor se toma como volumen de control un cilindro con el rotor y la masa de mezcla que entra por la lumbrera de admisión debe ser igual a la que sale por la lumbrera de escape. El análisis se reduce a un volumen de control.

Balance de energía: El combustible que recibe el RENESIS es gasolina de 95 octanos, pero como se dijo se va a hallar el calor que recibe la mezcla como se indicó: -El flujo másico de mezcla se calcula a continuación:

Por lo tanto la masa de mezcla que acompaña a un ciclo es:

La relación de compresión (10/1) y la presión del PMS (850 kPa) se obtienen de las especificaciones técnicas del proveedor. 850 kPa*645/3cm3 = 0,000517* 0,287* T2 T2= 1248,8 K Ahora para hallar la temperatura máxima del ciclo se encontrará la temperatura de flama adiabática para la gasolina, asumiendo combustión estequiométrica. 8CO2 + 9H2O + 47N2◊C8H18 + 12,5(O2 + 3,76N2) Hr = -249,91 kJ/kmol Hp Entonces en el cálculo de la temperatura de flama se tiene: Hp = -1300,19 kJ/kmol◊T = 2000 K D = -1050,28 kJ/kmol Hp = 1394,12 kJ/kmol◊T = 3000 K D = 1644,03 kJ/kmol Si asumimos una dependencia lineal entre la temperatura y la diferencia entre las entalpías de rectantes y productos, podemos hallar la temperatura de flama adiabática: Tf = 2398,8 K Ya con todos estos cálculos previos realizados, podemos determinar el calor suministrado a la mezcla en todo el motor, dado que el motor posee seis cámaras trabajando simultáneamente:

La potencia útil obtenida es:

De aquí se desprende que el calor disipado es:

Eficiencia energética: La eficiencia térmica se define como la potencia obtenida dividida por el calor total suministrado, entonces:

Eficiencia exergética: La eficiencia energética se define en base a las corrientes de exergía que acompañan a las transmisiones energéticas. La exergía del trabajo técnico:

La exergía que acompaña al calor suministrado:

La exergía que acompaña al calor disipado:

Donde:

T4 = 570,3 se obtuvo como sigue:

Ahora el valor de flujo másico que necesitamos es el valor para todo el motor, es decir para la cilindrada completa, en consecuencia:

Por lo tanto, la eficiencia exergética queda definida como:

6. ASPECTOS TECNOLÓGICOS:

Esquemas técnicos: Los principales elementos del motor se encuentran abajo mostrados.

- Se muestra la relación de los procesos entre un motor alternativo y el motor Wankel.

- Se muestra el gradiente de temperaturas al que está sometido el estator, factor importante a tomar en cuenta en su diseño.

Características: Las características más importantes en los motores rotativos son la cilindrada, la relación de compresión y el rendimiento. - Cilindrada: La calcularemos mediante la siguiente ecuación: Vu=3.√3.B·R· e donde B,R y e son dimensiones. R= Radio B= Grosor E=excentricidad

-Relación de compresión: Al igual que en los motores alternativos, se obtiene de la siguiente relacion: Rc=(Vu+Vc) ⁄ Vc


Vu= volumen unitario ; Vc :volumen de la cámara

-Rendimiento : Al igual que en un motor alternativo, el rendimiento del ciclo teorico es igual al de un ciclo de otto(4T) η t= 1- 1/Rc(γ−1) η t: rendimiento térmico Rc: relación de compresión

7.IMPACTO AMBIENTAL: Impacto ambiental del equipo: El motor rotativo al igual que los motores alternativos de cilindro-pistón trabaja básicamente con combustibles de hidrocarburos (gasolina y diesel). En cierta medida este tipo de motor es más contaminante que el motor alternativo, dado que el control de sus emisiones es más caro. Tomamos como referente del motor Wankel al Mazda RX-8. En este vehículo se ha logrado ya controlar su nivel contaminante y se encuentra ya dentro de los estándares permitidos. Esto nos lleva a concluir que este tipo de motor no representa " la solución" a los problemas de polución actuales, ya que lo que actualmente se busca es una alternativa motora menos contaminante o no contaminante. Ciclo de vida: Es un motor que cuando entra en desuso no supone mayor problema, pues sus partes pueden ser reutilizables con diversos fines, no utiliza ningún refrigerante con exceso contaminante. El tiempo de trabajo en un buen estado es en promedio 6 años. Emisiones ambientales: Ya se mencionó anteriormente que el índice contaminante en motores rotativos puede ser muy bien controlado. A continuación se mostrarán argumentos que sustentan con exactitud el nivel de emisiones que presenta el modelo RX-8 de Mazda. La economía de combustible se mejora en el motor rotatorio RENESIS, siendo ésta un 40% mejor en baja carga. Para cargas mayores este motor no necesita una mezcla aire-combustible más rica, por lo que se demuestra su menor consumo. El motor rotatorio RENESIS satisface los estándares de emisiones con menos de 19 gramos de monóxido de carbono, 22 gramos de hidrocarburos y 14 gramos de óxidos del nitrógeno. Además el motor rotatorio RENESIS está configurado con un sistema mediante el cual puede reabsorber parte de los hidrocarburos no consumidos, pasando a la cámara siguiente en el proceso de admisión.

El cuadro abajo mostrado fue extraído de las especificaciones técnicas del vehículo presentadas en la página web del proveedor en España. Consumo* (l/100km)

Urbano

14,9

Extraurbano

8,1

Combinado

10,6

Emisiones de CO2* (g/km) Nivel de emisiones CE

267 EC Stage IV

*Valores de consumo y emisión de co2 conforme a 80/1268 EWG (1999/100/EC) Precios y costes: Tenemos ya definido el consumo de combustible (en L) por cada 100 km recorridos para un vehículo con el motor RENESIS, basándonos en el precio local del combustible se podría estimar los gastos en combustible para este vehículo. El precio de venta de la gasolina 95 octanos en grifos (en promedio) en Lima, precio consultado en la página web de Osinerg es de s/.16.46 el galón. Costo de combustible: (10,6 L/100km)*(1 galón/ 3.7854 L)*(16,46 soles/galón) *(0,28€/1 soles)= =0,12 €por km El precio del vehículo Mazda RX-8 Sport en el mercado americano es de $27,030 sin incluir impuestos.

8. VENTAJAS E INCONVENIENTES: Tras analizar sus componen y funcionamiento podemos deducir unas notorias ventajas como son: El motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor alternativo de 4 tiempos, tan solo 4 piezas: bloque, rotor (que a su vez esta formado por segmentos y regletas), árbol motriz y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto redunda en una mayor fiabilidad. Todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo sentido, en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido un pistón. Están balanceados internamente con contrapesos giratorios para suprimir cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva, dado que cada etapa de combustión dura 90° de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es decir, 3/4 de cada vuelta. Mientras que un motor monocilíndrico, donde cada combustión transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del cigüeñal. Dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje, las piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la fiabilidad. Debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores de 600cc o 700cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo. Por ultimo, cabe destacar el hecho de que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones), solo las pequeñas vibraciones en la excéntrica se ven manifestadas. Como inconvenientes podemos decir lo siguiente: La refrigeración del motor rotativo es muy potente y complicada, pues por un lado el motor se encuentra a unos 150ºC y por el opuesto a unos 100ºC. El motor requiere de un engrase complejo para su funcionamiento. El cierre entre compartimientos formados por las caras del rotor es uno de los mayores problemas. Se trata de un motor poco elástico ya que, el par cae rápidamente por debajo de las 100 rpm.

9. COMPARATIVAS: Vamos a comparar para un caso concreto las diferentes especificaciones técnicas que se dan entre el motor rotativo (motor Wankel) y el motor de pistones ordinario. Así pues, vamos a comparar el Mazda RX8 (solamente dicho model y el Mazda RX7 tienen motor rotativo) con un coche de la misma gama el Ford Focus ST. RX8

FOCUS ST

Potencia

240 CV a 8500 rpm

225 CV a 6100 rpm

Par maximo

211 Nm a 5500 rpm

Vel. Max

240 km/h

320 Nm a 1600-4000 rpm 241 km/h

Aceleración 0-100

6,4 seg

6,8 seg

Cilindrada

2521 cc

Consumo urbano

654 cc por rotor (bimotor) 1308 cc 15,8 (1/100 km)

Consumo extraurbano

8,9 (1/100 km)

6,8 (1/100 km)

Consumo combinado

11,4 (1/100 km)

9,3 (1/100 km)

13,8 (1/100 km)

En la tabla observamos claramente que el motor rotativo dota de más potencia al vehículo consiguiendo así mayo aceleración. La velocidad máxima es similar en ambos casos. Por otro lado, observamos que el Ford Focus ST tiene mayor cilindrada esto se debe a que en el Mazda, el rotor del motor va a más revoluciones por minuto y hace el mismo trabajo sin tener un depósito tan grande. También es importante comentar que el consumo en el Mazda es mayor esto se debe a que el motor Wankel no es tan eficiente.

10. EVOLUCIÓN DEL MOTOR ROTATIVO HIBRIDO (ARTÍCULO DE EL MUNDO). Mazda ha querido acortar distancias entre el automóvil actual y el alimentado por hidrógeno poniendo a punto una versión de su motor rotativo Rénesis para que pueda funcionar indistintamente con hidrógeno o con gasolina normal. Se homologaron y montaron en el RX-8 cuatro unidades en el año 2004. Se le denominó RX8 Hydrogen RE. Las cuatro unidades se cedieron a empresas y agencias del gobierno japonés, con el fin de poder hacer un seguimiento de estos coches. No es la primera vez que Mazda experimenta con motores de hidrógeno. Su primer proyecto en este área fue hacer que el motor rotativo funcionara con hidrógeno, cosa que logró por primera vez en 1991, año en que presentó el prototipo HR-2. Los motores de tipo rotativo se adaptan al empleo de carburantes alternativos como el hidrógeno mejor que los tradicionales de pistones alternativos, por el hecho de que cada una de las cuatro fases de su funcionamiento tiene lugar en cámaras diferentes. Esto hace que las temperaturas sean menores, eliminando el riesgo de la autodetonación que en caso del hidrógeno resulta fácil que se produzca, dado su alto poder de ignición. El motor rotativo no suele dar problemas de autoencendido, pues la cámara de combustión presenta una geometría adecuada para la combustión del hidrógeno, es decir, su relación volumen/ superficie es muy elevada. El hidrógeno llega en estado gaseoso a cada uno de los dos rotores de los que se compone el motor Rénesis, a través de dos inyectores electrónicamente controlados, para asegurar un suficiente llenado de combustible del motor. Pese a ello, la potencia del motor cuando funciona con hidrógeno se ve muy reducida. De 207 caballos que desarrolla con gasolina, desciende a 109. Se está investigando la posibilidad de incluir agua pulverizada en la mezcla de entrada, la cual se evapora al quemarse el hidrógeno, llegando a ejercer presiones muy altas de forma elástica. De esta forma, se intentaría conseguir que la mayor parte de la potencia se deba a la acción del vapor de agua y no al hidrógeno. Con la capacidad del depósito de hidrógeno a 350 bares, el coche tiene una autonomía de unos 100 kilómetros, además de los 550 kilómetros que proporcionan los 61 litros del depósito de gasolina, inalterado respecto a la versión normal del RX8. A lo largo de los 100 kilómetros que se recorren con hidrógeno, el coche no emite dióxido de carbono (CO2) y sólo una pequeña cantidad de óxido nitroso (NOx).

Mazda reconoce el problema de pérdida de potencia al pasar a hidrógeno, y están pensando en dotar al motor Rénesis de algún tipo de compresor, turbo o mecánico, para evitar que la pérdida de potencia sea tan importante. También están barajando la posibilidad de incrementar la presión de las bombonas, y de combinar el propulsor hidrógeno gasolina con una tecnología híbrida, que permita utilizar la recuperación de energía en retención del motor y frenado para impulsar el coche, con lo que su autonomía se podría multiplicar por 2,5 y, además, siempre quedaría la posibilidad de continuar el camino gracias a la gasolina.