NOVEDADES EN MOTORES, REINVENTANDO EL MOTOR DIÉSEL (PARTE II)

Turbo de Koenigsegg realizado con impresión 3D

En la primera parte se analizaron los nuevos desarrollos de motor repasando los avances en inyección y control de combustión. En esta II parte me centraré en los "inventos" para reducir los inconvenientes del turbocompresor así como la distribución variable y el cruce de válvulas.

Turbocompresor

A día de hoy son ya pocos los tractores a partir de 60 CV que lleven motores atmosféricos. Las bondades del turbo son de sobra conocidas y asumidas por lo que solo resta eliminar sus inconvenientes y que en realidad se queda “en uno” que es el retraso en la entrega de potencia.

Biturbo eléctrico (Audi)

Efectivamente la respuesta del turbo es diferente según lo sea el régimen del motor. Es el denominado retraso o “lag”. La solución pasa por diseños con motores biturbo o el uso de turbos de geometría variable (VGT) o el uso de turbos eléctricos o incluso utilizar aire comprimido. Todas ellas son soluciones que reducen la demora en la respuesta a la entrega de potencia.

Varios turbos: Cuando se usa un turbo “grande”, el mayor inconveniente es la propia inercia del conjunto (diámetro y peso de la turbina) A mayor inercia la respuesta del turbo se hace con más retraso. En la actualidad se tiende a turbocompresores más pequeños o bien a montajes (a veces en serie y a veces en paralelo) de turbos de diferente tamaño. Por ejemplo se puede sobrealimentar un motor con dos turbocompresores conectados en serie, uno con geometría variable (para bajas y medias cargas) y otro de geometría fija (para cargas altas)
Un turbo por cilindro: En la misma línea, la de varios turbos, va esta idea patentada por una ingeniería muy conocida. La patente se llama Inducción sinérgica y turboalimentación, y consiste en implementar el motor con un turbo por cilindro. Tal y como afirma en la patente, el sistema de “hiperllenado” del cilindro permite disponer de la energía extra del turbo de forma prácticamente inmediata. 

Un turbo por cilindro

Lo que propone la patente es colocar un pequeño turbo por cada cilindro muy cerca de las válvulas de escape. Con esto lo que consigue es aprovechar al máximo la energía de los gases de escape, y al ser los turbocompresores muy pequeños necesitan un 50 % menos de flujo de gas para funcionar a plena potencia que en un turbo convencional.

Geometría variable: Los denominados turbos de geometría variable (VGT) son aquellos en los cuales los álabes de la turbina son móviles permitiendo que a cualquier régimen el trabajo del turbo “sea lineal”.

Turbo usando impresión 3D: A un fabricante como Koenigsegg se le pueden ocurrir muchas cosas pero seguro que además sus diseños siempre destacan por su originalidad. En este caso Koenigsegg ha diseñado un turbo que le llama Twin-Scroll. Lo fabrica en titano y mediante impresión 3D. En realidad es un diseño simplista pero muy efectivo. Se trata de crear un doble conducto para dirigir los gases de escape hacia la turbina. Este conducto cuenta en su interior con dos divisiones de diferente diámetro y longitud para canalizar los gases de escape según la carga del motor. Una compuerta es la encargada de activar un conducto, o los dos, consiguiendo así que la turbina siga recibiendo la suficiente presión de gases de escape incluso cuando la carga del motor es muy baja. Con este diseño se intenta conseguir las ventajas del turbocompresor de geometría variable pero sin su complicación técnica.

Inyección de agua (BMW)

Turbo eléctrico: También denominado turbo “híbrido”. Es actualmente el “que más promete” en la optimización en el retraso de respuesta. Con este diseño se combina un turbo tradicional con un motor-generador eléctrico. Si la turbina no tiene suficiente caudal de escape entonces el compresor toma la energía de la batería.
Varios fabricantes recurren a esta solución y destaco los 900 Nm de par máximo que consigue el Bentley Bentayga a solo 1000 rpm. Son turbocompresores capaces de girar a 70.000 rpm sin tener que esperar a nngún gas de escape, es decir un extra de potencia en cuestión de milésimas.

ELECTRIFICACIÓN: En los nuevos desarrollos, los componentes eléctricos toman mucho protagonismo con una tendencia clara a la desaparición de “correas y engranajes” moviendo componentes auxiliares. La gran ventaja de la opción de las instalaciones eléctricas, parece que los 48 V son la tensión elegida, reside en la eliminación de la complejidad mecánica, pero también en la independencia del trabajo a las revoluciones del cigüeñal. Además del turbo otros componentes como la bomba de agua, de aceite o el compresor del aire acondicionado pasarán a moverse con “voltios” y “watios”.

Aire comprimido: Es una solución desarrollad por Volvo en sus nuevos motores diésel, el denominado PowerPulse. Se trata de que un compresor de aire convencional toma aire de la admisión, lo comprime y después lo almacena en un pequeño tanque que guardará una reserva de aire comprimido. Si se acelera de forma súbita, el PowerPulse inyecta el aire comprimido almacenado sobre la turbina de escape acelerando su giro de forma casi instantánea.

¿Compresor o turbo? ¿Conoces la diferencia?: El concepto de ambos es el mismo, introducir más aire a presión en el motor, sin embargo funcionan de forma diferente. El compresor mecánico está conectado a través de una polea al cigüeñal del motor. A mayor régimen de giro entregan más potencia porque la cantidad de aire que pasa por el compresor es función directa de las revoluciones. El compresor es más barato que el turbo y sobre todo no tiene retraso en la entrega de la misma. Tampoco necesita intercooler. Sin embargo su desventaja está en su propia naturaleza porque “crea potencia tras robarla”, es un mecanismo “parásito” del propio motor.

El turbo o turbocompresor se alimenta de los gases de escape y su gran ventaja es justo esa, alimentarse de aquello que ya se iba a perder de todos modos. Además es mucho más compacto y ligero que el compresor. Sus desventajas están en el retardo y en la generación de mucho calor

CRUCE DE VÁLVULAS Y DISTRIBUCIÓN VARIABLE

Aire comprimido (Volvo)

Se denomina “cruce de válvulas” al tiempo, entre las carreras de escape y admisión, que las válvulas de escape y admisión permanecen abiertas al mismo tiempo. Un mayor tiempo de cruce de válvulas en la zona alta de revoluciones favorece el llenado de la cámara de combustión, es decir más potencia a ese régimen. Un menor tiempo de cruce de válvulas favorece la entrega de par motor a bajas revoluciones.

El “cruce” lo determinan los árboles de levas y según se diseñe se determina el comportamiento y carácter de ese motor. Lo que pasa es que en ese diseño se adopta una solución de compromiso porque en ocasiones interesa un mayor cruce y en otras que este sea menor. Pero ¿y si se busca siempre el óptimo?

Lo ideal sería que el motor pudiese entregar la máxima potencia a cualquier régimen. Esto se puede conseguir con sistemas de distribución variable.

La distribución variable se implementa a través de un sistema CAN-BUS que gobierna el avance o retraso del motor en función de las revoluciones del motor, la posición del acelerador y otros parámetros.
Sin árbol de levas:
Koenigsegg también es el responsable del desarrollo de lo que él mismo denomina FreeValve y que consiste en accionar independientemente las válvulas de admisión y escape además de suprimir componentes mecánicos muy sometidos al desgaste como son el árbol de levas y la correa de distribución.

El alzado variable de válvulas ya existe pero con el sistema de Koenigsegg se consigue mucho más ya que cada válvula se puede operar de forma independiente; se puede ir modificando el motor según el régimen para aumentar la eficiencia en todo el rango de revoluciones.

El sistema recurre a actuadores hidráulicos y neumáticos con control electrónico. El mantenimiento se reduce mucho, también el peso del propio motor disminuye y, obviamente, el ruido generado por el motor.

COMPRESION Y CILINDRADA VARIABLES

Relación compresión variable (Infiniti)

Relación de compresión: La relación de compresión es un parámetro muy importante para el rendimiento de un motor. La relación de compresión es la proporción en volumen que se comprime la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión del cilindro. Mayores relaciones de compresión favorece el rendimiento pero con peligros en determinados límites. Lo ideal sería poder cambiar la relación de compresión según condiciones de giro y presión de soplado del turbo.

Ya hay motores, de gasolina pero los hay, capaces de variar su compresión volumétrica entre 8 y 18 a 1. La idea no es nueva pues incluso el desparecido Saab en 2002 patentó el diseño pero el “invento” era caro.

¿Cómo se consigue variar la relación de compresión? Pues hay que conseguir que el volumen desplazado por cada cilindro sea variable. Es decir, la posición del punto muerto superior (PMS) y punto muerto inferior (PMI) deben ser variables. Una de las formas de conseguirlo es con una doble culata (Saab) o bien conectar pistón y cigüeñal a través de un “rombo” (multi-link le llama Infiniti) para variar el brazo de palanca.

En motor diésel se tiende a bajar la relación de compresión e incluso se llega a igualar con los límites “altos” de los gasolina (14 o 15 a 1) Con esto se bajan los gases NOx contaminantes y se puede abaratar el catalizador reductor (AdBlue)

Cilindrada variable: Es la opción de algún fabricante como por ejemplo Honda. Son motores capaces de modificar la cilindrada en función de la demanda de potencia.

Pistones opuestos

“Tan raro” objetivo se consigue variando la longitud recorrida por el pistón entre el PMI y el PMS. La patente de Honda habla incluso de hasta 15 cilindradas diferentes para su “invento”.

Cilindros a la demanda: ¿Y si se pudiese disponer de un 6 cilindros cuando necesito toda la potencia pero bajar a un 4 o un 3 cilindros cuando no es así? Se trata de una solución ya implementada en coches de calle.

Mediante un sistema automático, es decir con muchos sensores (par demandado, posición del acelerador, temperatura motor, relación de transmisión…), se alimenta de información a un miniordenador que decide con cuantos cilindros funcionar. El sistema consigue variar la distribución permitiendo cerrar las válvulas de admisión y escape de unos cilindros mientras el resto continúa igual.

Mientras un motor convencional dispone de unas levas de válvulas de forma “excéntrica” y así poder variar el alzado de válvulas, en el caso de cilindros desconectables se dispone de una sección “extra”, leva 0, que no llega a empujar las válvulas y permanecen siempre cerradas.

Es cierto que el árbol de levas se complica un poco ya que en cada leva se mecanizan dos perfiles, el convencional que actúa sobre los empujadores, y el “ahorrador” que solo rueda, sin llegar a empujar, a los empujadores, pero los beneficios son muchos. El sistema es muy rápido y en tan solo unos milisegundos los actuadores electromagnéticos engranan una u otra posición en apenas media vuelta del árbol de levas.

Turbo intercooler

PISTONES OPUESTOS

El invento no es nada nuevo, en realidad era lo último en moda al final del XIX. Se trata de “dar la vuelta” al motor porque viene a ser como un motor “boca abajo”.

El motor en si es como uno tradicional, cuatro tiempos, cilindros y pistones… pero si en el motor tradicional a tantos cilindros los mismos pistones en este caso por cada cilindro hay dos pistones, uno en cada extremo. Por lo tanto “no hay culata” y la inyección de la mezcla aire-combustible se produce por los lados del cilindro y no por la cabeza.

Mientras un pistón baja y el otro sube con lo cual se comprime la mezcla y se produce la explosión y entonces, ¡ambos pistones se mueven haciendo trabajo! Los beneficios además hay que encontrarlos en el ahorro: culata, válvulas, árbol de levas…

Fuentes:

• Mazda Skyactiv 
• MCE  
• Engineering Explained