ES2933269B2 - Sistema de hibridacion inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustion interna - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE HIBRIDACIÓN INTELIGENTE PARA MEJORAR LA EFICIENCIA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención revela un sistema de hibridación inteligente en motores de combustión interna para la mejora de la eficiencia, inyectando hidrógeno, oxígeno y agua a demanda con el objetivo de reducir el consumo de combustible, las emisiones contaminantes y los gases de efecto invernadero. La función de este equipo es la de producir diferentes cantidades de hidrógeno y oxígeno a presión constante en función de las necesidades del motor con un electrolizador de baja temperatura.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Desde que apareciera el primer motor de combustión interna en 1860 con capacidad para generar energía a partir de combustibles de origen fósil, ha habido una constante evolución que ha comportado mejoras en diseño, materiales, aplicaciones y eficiencia. Su utilización en prácticamente cualquier sector industrial como movilidad terrestre y marítima, generación eléctrica, construcción y minería entre otros han generalizado su uso, se han producido miles de millones de motores en todo el mundo y si bien han ayudado en ciertos aspectos a una evolución industrial, económica y de movilidad su utilización masiva también ha provocado una serie de problemas derivados del propio proceso de combustión como la contaminación del aire y la generación de gases de efecto invernadero causantes del calentamiento global.
Los motores de combustión interna que pueden utilizar combustibles de origen fósil como la gasolina, el gasoil o gases como el GLP o GNC o una mezcla de ambos debido a sus características de funcionamiento y diseño son por defecto ineficientes, esto provoca que el rendimiento obtenido llegue en el mejor de los casos al 45% para motores diésel y al 35% en motores de gasolina.
En motores de barco lentos que giran a solo 100 revoluciones por minuto se han obtenido valores en eficiencia del 51%. Al tener una velocidad más baja el tiempo que se utiliza para la combustión es mayor con lo que se quema mejor el combustible inyectado en el cilindro. Esto se explica porque estamos contemplando motores térmicos y una gran parte de la energía generada es calor llegando a superar el 60% en pérdidas. El calor pasa a la atmósfera ya que tanto el motor como el sistema de refrigeración que sirve para mantener la temperatura óptima de funcionamiento se diseñan para que esto ocurra especialmente en motores dedicados al transporte tanto por carretera como en el ferrocarril.
Los diseños de motores utilizados en otras aplicaciones como barcos, grupos electrógenos, grúas, ferrocarriles, atienden a otras especificaciones de diseño, estando sobre dimensionados los sistemas de disipación y refrigeración térmica de los motores dadas las aplicaciones a los que se destinan y la poca/nula movilidad de estos.
El proceso de combustión es diferente en función del tipo de combustible y de las propias características del motor, del diseño de la entrada de aire y de la antigüedad del mismo lo que comporta grandes diferencias en rendimiento, gestión y prestaciones, así como en el consumo. Se ha pasado también de utilizar la cantidad de aire aspirado por el descenso del pistón a la utilización de sofisticados sistemas de uno o varios turbos de soplado variable aumentando así la cantidad de aire y pro-porción de oxígeno dentro de la cámara de combustión.
Los sistemas de inyección de combustible también han sufrido grandes cambios, mejorando sustancialmente los rendimientos ya que ahora se utilizan modernos y sofisticados sistemas de inyección gestionados electrónicamente de conducto común donde el combustible alcanza presiones de hasta 2.700 bares y los inyectores pueden efectuar múltiples inyecciones por ciclo para mejorar la eficiencia y permitir mejorar la combustión con el fin de reducir consumos y contaminantes.
Como se sabe, en la industria del transporte existe una necesidad imperiosa de reducir las emisiones contaminantes. Uno de los caminos seguidos para perseguir este objetivo es el enriquecimiento de combustibles convencionales, por ejemplo, metano o gas natural, con hidrógeno. La técnica para que el hidrógeno esté disponible a bordo de un vehículo de motor es algo problemático. De acuerdo con una primera técnica conocida, el hidrógeno se puede almacenar en el vehículo, en forma de líquido o gas comprimido, en un tanque provisto a propósito. Sin embargo, la dificultad de la gestión del hidrógeno y la ausencia de una red de aprovisionamiento hacen que esta solución esté lejos de ser atractiva desde el punto de vista comercial. Otra posibilidad conocida es producir hidrógeno a bordo del vehículo mediante electrólisis. Sin embargo, las actividades de investigación realizadas hasta ahora en esta dirección han resultado insatisfactorias desde el punto de vista energético en la medida en que la producción de energía eléctrica absorbida por el proceso de electrólisis a través del alternador de a bordo determina un aumento del consumo que hace que el proceso no viable económicamente. Los dispositivos mencionados en el párrafo anterior son diseñados y utilizados de forma separada con la intención de reducir consumos de combustibles de origen fósil, los contaminantes y los gases de efecto invernadero con limitaciones de producción de oxihidrógeno en vez de hidrógeno y oxígeno por separado, el uso limitado de la inyección de agua, la no utilización de energías renovables o de recuperación de energía para producir hidrógeno verde y una reducción de costes en los materiales que propician unos resultados mediocres o nulos en la consecución de los objetivos.
En el estado de la técnica, la solicitud de patente americana US20170122195 revela un motor de combustión interna en el que se genera hidrógeno a bordo del vehículo, a expensas de la energía de los gases de escape que en cualquier caso se dispersarían en el medio ambiente. Esto permite una reducción considerable de los niveles de consumo, así como de las emisiones.
En una realización, un grupo de motor comprende: un motor de combustión interna ; un sistema de suministro configurado para suministrar al motor un combustible mixto que comprende hidrógeno; una celda electrolítica configurada para producir hidrógeno y oxígeno a partir del agua en estado líquido o vapor; y un dispositivo convertidor configurado para generar energía eléctrica a partir de una energía térmica de los gases de escape emitidos por el motor de combustión interna , en el que al menos parte de la energía eléctrica generada por el dispositivo convertidor se utiliza en la celda electrolítica para la producción de hidrógeno que se entrega al sistema de suministro para su inclusión en el combustible mixto. Como se ha visto se han producido motores de combustión interna que funcionan con hidrógeno y otras energías renovables. En tal caso, estos motores de hidrógeno generalmente funcionan de manera similar a un motor de gasolina, pero usando hidrógeno como combustible.
La patente americana US9567897 describe dispositivos, sistemas y métodos para la preparación de un compuesto oxigenado o una mezcla de compuestos oxigenados adecuados para su uso en motores de combustión interna.
El sistema incluye un dispositivo de síntesis de un compuesto oxigenado que incluye un reactor y un catalizador, donde el dispositivo del compuesto oxigenado de síntesis está configurado para convertir al menos una porción de un material de alimentación a un compuesto oxigenado o una mezcla de compuestos oxigenados; y un motor de combustión interna configurado para iniciar la combustión mediante compresión o descarga de alta energía, la combustión interna motor incluyendo: un combustible de inyección de sistema configurado para proporcionar el combustible de inyección , y un sistema de refrigeración configurado para enfriar el interior de combustión del motor , el interior de combustión del motor está configurado para calentar dispositivo el compuesto oxigenado síntesis usando el calor del sistema de refrigeración del interior de combustión del motor . También se describen aplicaciones de los dispositivos, sistemas y métodos.
Un problema con estos motores es que la combustión de hidrógeno en el aire produce subproductos ácidos y nocivos que contienen nitrógeno, lo cual es claramente indeseable. Si el aire se reemplaza con oxígeno puro, se evitan otros productos dañinos y el agua es el único producto. Sin embargo, un problema al hacerlo es que la combustión de hidrógeno y oxígeno por sí sola es una explosión descontrolada que causa una onda de choque en lugar de la combustión controlada como cuando se usa aire, y como resultado no se puede usar en su forma conocida de manera eficiente y alimentar un motor de forma sostenible.
La presente invención resuelve satisfactoriamente los problemas de la técnica, ya que muestra un sistema de hibridación inteligente en motores de combustión interna para la mejora de la eficiencia inyectando hidrógeno, oxígeno y agua a demanda con el objetivo de reducir el consumo de combustible, las emisiones contaminantes y los gases de efecto invernadero. La función de este equipo es la de producir diferentes cantidades de hidrógeno y oxígeno a presión constante en función de las necesidades del motor con un electrolizador de baja temperatura. El sistema dispone de placas fotovoltaicas y al menos un aerogenerador conectados a un cargador/inversor que son los encargados de producir energía verde que alimentara el resto de componentes del sistema y cuenta con un soporte de almacenamiento, en forma de baterías de alta capacidad, para almacenar energía y poder suministrar la energía necesaria en caso de falta de producción de energía verde por malas condiciones climáticas principalmente.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con el objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de la realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- muestra un esquema del sistema propuesto para la hibridación inteligente en motores de combustión interna para la mejora de la eficiencia inyectando hidrógeno, oxígeno y agua a demanda con el objetivo de reducir el consumo de combustible, las emisiones contaminantes y los gases de efecto invernadero.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención muestra un sistema de hibridación inteligente en motores de combustión interna para la mejora de la eficiencia inyectando hidrógeno, oxígeno y agua a demanda con el objetivo de reducir el consumo de combustible, las emisiones contaminantes y los gases de efecto invernadero. La función de este equipo es la de producir diferentes cantidades de hidrógeno y oxígeno a presión constante en función de las necesidades del motor con un electrolizador (06) de baja temperatura. El electrolizador (06) puede ser un electrolizador tradicional de alcalinos, de membrana polimérica (PEM), o bien de membrana aniónica (AEM).
El sistema dispone de al menos una placa fotovoltaica (01) y al menos un aerogenerador (02) conectados a un cargador/inversor (03), que son los encargados de producir energía verde que alimentara el resto de componentes del sistema y cuenta con un soporte de almacenamiento, en forma de baterías de alta capacidad (12), que permite almacenar energía y poder suministrar la energía necesaria en caso de falta de producción de energía verde por malas condiciones climáticas principalmente.
El sistema también dispone de un sistema de producción de agua deionizada mediante un sistema de ultrafiltración y deionización por cartuchos intercambiables (08), a partir de agua potable del depósito térmico (07), la cual es almacenada a continuación en un segundo depósito térmico (09), donde dicha agua deionizada es utilizada para la producción de hidrógeno y oxígeno por separado en el electrolizador (06).
El agua sale del depósito (09) a través de una primera bomba (11) de alta presión hacia el inyector (24) situado antes del colector de admisión (14) mediante una línea de agua (22) y se inyecta de forma controlada por la centralita (16) y un controlador lógico programable (PLC) (04) al motor (15), con el fin de reducir las emisiones de NOx y CO2, absorbiendo parte del calor generado en las cámaras de combustión del motor (15) mejorando a la vez las prestaciones del mismo y con un efecto limpieza producido por las minúsculas gotas del agua inyectada con el inyector (24) que enfría a su vez el aire para que la proporción de oxígeno sea mayor.
La función principal de este sistema de inyección de agua al motor (15) es la de reducir las emisiones de NOx y CO2 producidas en el momento de la combustión en la cámara, así como un ligero aumento de potencia debido a la expansión del agua con la temperatura que repercute en una reducción de consumo y el efecto limpieza del agua a altas temperaturas alargando la vida del motor y reduciendo las impurezas en el mismo.
El aire enfriado por la inyección del agua en el conducto de admisión (14) tiene una mayor densidad, por lo que permite la entrada de una proporción mayor de oxígeno, quemando con mayor facilidad el combustible que se inyecta al motor (15) desde el depósito de combustible (18) mediante la línea de combustible (19) hacia el colector de admisión (14) durante la combustión.
El sistema adicionalmente dispone de una segunda bomba de agua (10) que permite alimentar el electrolizador (06) para producir el hidrógeno y el oxígeno. El hidrógeno es inyectado en el conducto de admisión (14), después del turbo y del enfriador del aire, para que las proporciones sean las adecuadas en cualquiera de los cilindros en el ciclo de admisión a través de la línea (20) y de un inyector de hidrógeno (23) colocado antes del colector de admisión (14), inyectando de forma controlada con la centralita (16) y el PLC (04) las cantidades necesarias en cada momento del hidrógeno necesario al motor (15).
El oxígeno producido por el electrolizador (06) se inyecta directamente al motor a través de la línea (21) al filtro de aire (13) con el fin de aumentar la proporción de oxígeno absorbido por el motor (15) y de consecuencia mejorar la eficiencia del motor al disponer de una proporción mayor de oxígeno en el aire.
Las cantidades de hidrógeno, oxígeno y agua que se inyectan al motor (15) son controladas a través de la centralita (16) y el PLC (04) para adaptarse a las necesidades de cada momento del motor y obtener las mejores reducciones en consumo y emisiones en cada régimen de giro del motor.
El hidrógeno se inyecta para mejorar la eficiencia del motor al tener una velocidad de propagación de llama de 9,6 veces la de combustibles de origen fósil, de esta forma se quema con mayor facilidad el combustible en las cámaras de combustión del motor (15), se aprovecha prácticamente toda la energía que contiene reduciendo las emisiones contaminantes y los gases de efecto invernadero ayudado por la mayor proporción de oxígeno que reduce en la entrada del aire la cantidad de nitrógeno que entra al motor y que ayuda a reducir las emisiones de NOx y CO2 además de HC (hidrocarburos), CO, PM2,5 (partículas de menos de 2,5 micras provenientes de diésel), PM10 (partículas sólidas o líquidas de polvo, cenizas, hollín, partículas metálicas) y SO.
La centralita principal (16) se encuentra conectada a una segunda centralita (17) vía CAN BUS, la cual es la encargada de ajustar las proporciones de la mezcla y optimizar la inyección de combustible junto al hidrógeno, el oxígeno y el agua en función de los diferentes parámetros de temperatura, presión, posición del pedal del acelerador, revoluciones del motor y carga del mismo.
El PLC (04) se encarga de controlar el funcionamiento de los componentes de la solución, las temperaturas del electrolizador, presiones, niveles y temperatura del agua, hidrógeno y oxígeno con el fin de que su funcionamiento esté protegido y dentro de los parámetros adecuados para su correcta operativa.
El sistema está diseñado para que en el caso de un fallo o avería (bajo nivel de agua, exceso de temperatura, falta de energía, sobrepresión u otros) se desconecte de forma automática para evitar fallas mayores. A su vez permite funcionar al motor de forma de diseño original (sólo con combustible fósil) hasta su revisión y no perjudicar la operativa del motor.
El sistema dispone además de un monitor remoto (05) que permite observar y controlar mediante un operario el correcto funcionamiento de todo el conjunto, los niveles de los depósitos del agua, producción de hidrógeno y oxígeno además de poder realizar operaciones de ajustes y un chequeo manual.
Además del aditivamiento y los diversos niveles de hibridación se puede llegar a la sustitución total de los combustibles fósiles en función de las necesidades y características de los equipos a tratar como sería el caso de motores, turbinas y pilas de combustible diseñados específicamente para el uso con el 100% de hidrógeno.
Las pilas de combustible de hidrógeno también pueden funcionar a partir del concepto base de la solución de diferentes formas y con diferentes combinaciones de hidrógeno con aire y/o oxígeno además de otros parámetros y especificaciones en función de las características y las aplicaciones de destino.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Los motores de combustión interna que pueden utilizar combustibles de origen fósil como la gasolina, el gasoil o gases como el GLP o GNC debido a sus características de funcionamiento y diseño son por defecto ineficientes, esto provoca que el rendimiento obtenido llegue en el mejor de los casos al 40% para motores diésel y al 30% en motores de gasolina. En motores de barco lentos que giran a solo 100 revoluciones por minuto se han obtenido valores de eficiencia del 51 %. Al tener una velocidad más baja, el tiempo que se utiliza para la combustión es mayor con lo que se quema mejor el combustible inyectado en el cilindro.
Un ejemplo de realización para el sector marítimo aplicando el sistema de hibridación inteligente en motores de combustión interna, parte en primer lugar de la instalación de todos los equipos necesarios que permiten garantizar el suministro eléctrico a partir de fuentes renovables que pueden ser una combinación de placas fotovoltaicas (01) con al menos un generador eólico (02) en las cubiertas superiores con el objetivo de suministrar energía a una bancada de baterías de litio (12) ubicada cerca del sistema que a su vez sirven de respaldo estable de suministro eléctrico. Los cálculos de las dimensiones, producción y almacenamiento de electricidad, agua, baterías, electrolizadores se harán en base al tamaño y potencia de los motores y a las horas de funcionamiento habituales.
Después de instalar todos los elementos antes citados y comprobar que todos están conectados y reciben suministro eléctrico de las baterías dedicadas se procede al llenado del depósito de agua (07), con agua potable de la fuente de suministro, en este caso la depuradora de la propia embarcación. Una conexión a la potabilizadora del barco para alimentar la planta de producción de agua deionizada y poder almacenar una parte de la misma en el depósito (07) para evitar caídas de suministro exterior y garantizar el funcionamiento del electrolizador y del sistema de inyección de agua en el depósito (09).
Se dispone de un electrolizador (06) que recibe una parte del agua deionizada para producir hidrógeno y oxígeno que se inyectan al motor a una presión superior a la del aire del colector de admisión (14). El electrolizador (06) puede ser un electrolizador tradicional de alcalinos, de membrana polimérica (PEM), o bien de membrana aniónica (AEM).
El sistema de inyección de agua funciona coordinado con la inyección de hidrógeno y oxígeno con el objetivo de reducir la temperatura del aire a la entrada del motor (15) por el colector de admisión (14) y aumentar la proporción de oxígeno contenido en el aire que entra para producir la combustión de una forma más eficiente, incrementando el par motor y reduciendo las emisiones de NOx y CO2. La cantidad de agua necesaria se calcula en función del consumo de combustible siguiendo una progresión de volumen de aproximadamente un 25% para cada situación si bien sólo se inyectará con el motor en carga y no en ralentí o deceleración.
La inyección de hidrógeno y oxígeno también se rigen por el mismo concepto, es decir, una pequeña cantidad a ralentí o en deceleración para mantener operativo el electrolizador (06) y un aumento progresivo hasta la máxima carga para obtener las mejores prestaciones del motor (15) regulado por la centralita (16) y el PLC (04).
El emplazamiento de estos sistemas debe tener un espacio de seguridad respecto a otras instalaciones o personas, ya que de esta manera se pueden limitar los peligros de fuego, explosión o detonación. Además, este espacio provee una “protección” de los sistemas de hidrógeno en caso de que se produzca algún peligro derivado de alguna instalación cercana. La norma ISO 15916 recomienda, además, colocar los tanques o sistemas de almacenamiento del hidrógeno gas o liquido en el exterior de la sala, nunca cercanos al electrolizador.
A través de la línea (20) la conducción del hidrógeno ha de ir conectada directamente al colector de admisión (14) para que el hidrógeno producido por el electrolizador (06) se inyecte a través del inyector (23) en el mismo, antes de las entradas de las cámaras de combustión y de esta forma se mezcle homogéneamente con el aire que llega del enfriador y el turbo ya comprimido.
El hidrógeno inyectado ha de superar la presión interna de los conductos proporcionada de forma variable por el turbo con el fin de introducir el máximo caudal de aire en el motor, normalmente el hidrógeno se introducirá a unos 20 bares de presión directamente desde el electrolizador para que sea superior y se mezcle perfectamente con el aire para que su proporción y efecto sea igual en todos los cilindros del motor (15).
La cantidad de hidrógeno dependerá de las características de los motores ya que en un principio los motores de una cierta antigüedad no admiten sustituciones del 100% de combustibles de origen fósil por hidrógeno, normalmente esta proporción varia de entre un 5% a un 15% pudiendo llegar a un 60% si se dispone de suficiente energía para producir el suficiente H2 y la mecánica lo admite aunque en la actualidad existen motores que ya admiten hasta un 100% de hidrógeno al haber sido diseñados para utilizarlos con hidrógeno puro.
La solución es introducir en el motor H2+ O2 H2O alimentado todo por energía renovable y adaptado a un motor de combustión interna junto a combustible de origen fósil como un paso hacia la descarbonización total, aprovechando la vida útil de los motores como verdadera transición a un escenario de emisiones cero.
El hidrógeno producido en el electrolizador (06) dobla en cantidad a la producción de oxígeno debido a la composición del agua (H2O), estos gases se inyectan al motor (15) para mejorar la eficiencia del motor al tener una velocidad de propagación de llama de 9,6 veces la de combustibles de origen fósil, de esta forma se quema mejor, se aprovecha toda la energía que contiene el combustible de origen fósil original reduciendo las emisiones contaminantes y los gases de efecto invernadero.
La presente invención es una solución tecnológica con el objetivo de reducir los contaminantes, gases de efecto invernadero y consumo de combustible de origen fósil no solo para motores de combustión interna, sino que puede ser extrapolado en su aplicación para hornos y calderas industriales producidos durante la combustión con el consiguiente aumento de su eficiencia y vida útil.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1- Sistema de hibridación inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustión interna que se caracteriza porque comprende al menos una placa fotovoltaica (01); al menos un aerogenerador (02), donde ambos elementos se encuentran conectados a un cargador/inversor (03); un soporte de almacenamiento, en forma de baterías de alta capacidad (12), que permite almacenar y suministrar energía al resto de los componentes; un sistema de producción de agua deionizada mediante un sistema de ultrafiltración y deionización por cartuchos intercambiables (08) a partir de agua potable de un depósito térmico (07); un segundo depósito térmico (09) que almacena dicha agua deionizada producida; un electrolizador (06) para la producción de hidrógeno y oxígeno por separado; una primera bomba de agua ( 11) que envía el agua del depósito (09) mediante una línea de agua (22) hacia el inyector de agua (24) situado en el colector de admisión (14) antes del motor de combustión interna (15); una centralita (16) y un controlador lógico programable (PLC) (04) que controla las cantidades de hidrógeno, oxígeno y agua que se inyectan al motor (15); un depósito de combustible (18) que mediante la línea de combustible (19) envía el combustible hacia el colector de admisión (14) para ser inyectado en el motor de combustión interna (15); una segunda bomba de agua (10) que permite alimentar el electrolizador (06) para producir el hidrógeno y el oxígeno; un inyector de hidrógeno (23) colocado en el colector de admisión (14) que mediante una línea (20) permite inyectar hidrógeno en dicho conducto de admisión (14), donde dicha centralita (16) y el PLC (04) controlan las cantidades necesarias en cada momento del hidrógeno necesario en el motor (15); y una línea (21) conectada a un filtro de aire (13) que permite inyectar el oxigeno producido por el electrolizador (06).
    2- Sistema de hibridación inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustión interna según la reivindicación 1 que se caracteriza porque el electrolizador (06) es un electrolizador tradicional de alcalinos.
    3- Sistema de hibridación inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustión interna según la reivindicación 1 que se caracteriza porque el electrolizador (06) es un electrolizador de membrana polimérica (PEM).
    4- Sistema de hibridación inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustión interna según la reivindicación 1 que se caracteriza porque porque el electrolizador (06) es un electrolizador de membrana aniónica (AEM).
    5- Sistema de hibridación inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustión interna según la reivindicación 1 que se caracteriza porque la centralita principal (16) se encuentra conectada a una segunda centralita (17) vía CAN BUS.
    6- Sistema de hibridación inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustión interna según la reivindicación 1 que se caracteriza porque dispone además de un monitor remoto (05).
    7- Sistema de hibridación inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustión interna según la reivindicación 1 que se caracteriza porque el controlador lógico programable (PLC) (04) se encarga de controlar las temperaturas del electrolizador (06), presiones, niveles y temperatura del agua, hidrógeno y oxígeno.
    8- Sistema de hibridación inteligente para mejorar la eficiencia en motores de combustión interna según la reivindicación 1 que se caracteriza porque el sistema se desconecta de forma automática en el caso de un fallo o avería.
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