El motor naftero: Inyección y vibraciones

Motor D4S Boxer en el cofre, con inyección de nafta/gasolina doble (directa-indirecta) utilizado por el Subaru BRZ, y por el Toyota GT 86.

La inyección doble de nafta/gasolina

Usada por primera vez por la marca japonesa Lexus en 2006, la inyección doble directa e indirecta, es actualmente retomada por Toyota y Subaru en sus modelos GT.86 y BRZ. respectivamente, y en combinación con la turbosobrealimentación por la firma Audi.

La idea técnica de utilizar una doble inyección directa-indirecta, surge para beneficio en dos aspectos; el rendimiento, el par motor y la potencia específica elevada de la inyección directa, con las reducidas emisiones contaminantes de la inyección indirecta.

Normalmente en los motores de ciclo Otto, se realizaba el comienzo de la mezcla aire/nafta-gasolina, en las proximidades de la cámara de combustión, es decir en el conducto o múltiple de admisión. Esta solución es simple, ya que la alimentación de nafta/gasolina puede funcionar con baja presión (inyección indirecta), y permitir específicamente que se produzca la mezcla, de manera bien homogénea, aprovechando la dinámica de los gases ingresando al motor.

Por otra parte, la inyección directa fue desarrollada en los comienzos, para que la mezcla que se forma no sea homogénea, con la finalidad de que sea posible lograr una “combustión estratificada”, es decir en capas, en estratos, (rica alrededor de la bujía, para permitir el encendido, y pobre en el resto), con el objeto de disminuir el consumo de nafta.

Pero la experiencia demostró hasta ahora que, no se pudo lograr una economía de combustible considerable, y que se generaban emisiones contaminantes similares a los de un motor gasolero (partículas de óxidos de nitrógeno).

Se pudo constatar que a plena carga, el efecto de enfriamiento de la inyección directa (el cambio de estado líquido al gaseoso del combustible, dentro de la cámara de combustión, absorbe las calorías durante la vaporización), posibilita la ventaja de mejorar el llenado del motor, aumentando la potencia específica, la cupla motriz, y retardando la aparición del fenómeno de la detonación.

Se permite así, la aplicación de relaciones de compresión elevadas, favoreciendo la reducción del consumo.

En ciertos casos, con una combustión con mezcla pobre, la inyección directa puede provocar problemas de emisiones contaminantes.

Debido a ello, la idea de combinar los sistemas de inyección directa-indirecta pareciera bastante normal técnicamente. En cuanto al funcionamiento, es sabido que cada cilindro posee dos inyectores, uno en el conducto de admisión, y el otro dentro de la cámara de combustión, que se reparten las tareas en función de las circunstancias.

Resumiendo la inyección directa es usada cuando existen fuertes cargas o un alto régimen, lo que permite un mejor llenado sin contrapartidas, hablando de calidad de la combustión.

En los demás casos, es una práctica combinación de dos inyectores que son usados convenientemente.

Durante los arranques en frío por ejemplo, donde la inyección directa puede generar una vaporización incompleta del combustible, creando zonas de “sobre riqueza” y por lo tanto de formación de partículas. Es la inyección indirecta la que debe actuar, ya que permite lograr una mezcla más homogénea. Pero desde el arranque, hasta después de algunos segundos, la inyección directa es usada después del cierre de la válvula de admisión, con el fin de aumentar la temperatura de los gases de escape, para un calentamiento más rápido del catalizador.

La inyección directa, permite otros arranques en caliente más rápidos, favorables a los sistemas “Stop & Start”, finalmente con carga reducida y bajo régimen, cuando la velocidad de los gases es reducida, es la inyección indirecta la que actúa. Se efectúa en el conducto de admisión, y permite a la nafta entrar arrastrada por el flujo de aire, generando una mezcla mejorada y por lo tanto una calidad de combustión óptima.

Un sistema de doble inyección, es ciertamente complejo, y podría obligar a los constructores, tener que recurrir a un dispositivo de post-tratamiento de los gases de escape pesado, que perjudicaría el rendimiento del motor.

Si la inyección doble, no es decisiva desde el punto de vista del rendimiento puro, permite a los fabricantes preparar el futuro en lo referente al desarrollo de los motores, y aporta a las futuras normas o reglamentos, sobre emisiones contaminantes.

Las vibraciones del motor

Es sabido que las vibraciones principales del motor, están determinadas por el movimiento alternativo de los pistones que se aceleran como consecuencia del empuje provocado por la combustión, frenando bruscamente, y retomando velocidad, invirtiendo el sentido de marcha.

A cada uno de estos cambios de velocidad, corresponde un empuje, una presión sobre el cigüeñal que tiende a sacudir el block cilindro. Por ejemplo en la carrera de combustión/ expansión (también llamada de explosión) el pistón es lanzado o disparado como un proyectil, y es en el punto muerto inferior (PMI) traído hacia el punto muerto superior (PMS) por el conjunto biela-manivela. Este sistema biela-muñón de biela del cigüeñal, es el que soporta el “golpe”, y lo transmite en forma de empuje (denominado fuerza de inercia) y lo transmite al resto del motor.

Sabemos que el motor esta montado sobre la estructura del automóvil, con soportes elásticos, que amortiguan pero no eliminan el problema de las vibraciones. El pistón provoca las sacudidas más violentas, cuando invierte el sentido de marcha, en cada instante de su movimiento, sin embargo, aparece el problema del desequilibrio del sistema ya que el mismo no se detiene, o no funciona siempre a velocidad constante. Es en realidad, en las fases de aceleración o frenada que se genera un “empuje” sobre el block.

Partiendo por ejemplo del punto muerto superior (PMS), tenemos el punto en el cual el pistón frena su carrera hacia lo alto, y suponiendo que el motor gira a velocidad constante, el pistón tiene una etapa de aceleración interna en el primer tramo, seguida de una etapa de frenado o ralentización más prolongada, pero menos violenta. Todo esto depende de la relación (distintos largos) de la biela y de la manivela, y sabemos que pistón recorre más distancia, en el primer cuarto de giro, que en el resto (hasta completar los 180 grados).

Esta disparidad de velocidad y aceleración es la consiguiente desigualdad de las fuerzas de inercia, que hacen necesario equipar al motor con árbol o eje de equilibrado (denominados contrarrotantes, contraárboles), también en motores bien equilibrados como los conocidos “cuatro cilindros en línea”, en los cuales, mientras dos pistones suben, otros dos bajan o descienden. En la primera parte del descenso, el pistón “tira” de más, que cuando recorre la primera parte de subida, después las partes se invierten, y así el motor se sacude alternativamente. El desequilibrio se elimina, creando un efecto igual y de sentido contrario, por ejemplo haciendo girar uno o más árboles o ejes de masas excéntricas, al doble de la velocidad de rotación y en sentido opuesto al del cigüeñal.

La necesidad de recurrir a esta solución, que sin duda es costosa, pesada y grande (dimensiones importantes), ha crecido recientemente debido a las mayores exigencias de confort y del aumento del régimen de rotación del motor.

En realidad, estas fuerzas de inercia crecen con el cuadrado de la velocidad del motor. Cabe destacar que los motores pluricilíndricos no necesitan -o necesitan menos- de los árboles contrarrotantes, porque los pistones son más pequeños, y porque, estudiando oportuna y profundamente la disposición y la secuencia de cada movimiento, se puede llegar a una compensación interna, como es el caso de los “seis cilindros en línea”, que no presentan estos problemas.

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