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) |
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.
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.
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 |
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.
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
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.
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: