Evolución del motor de nafta/gasolina

Por Enzo Nuvolari



La evolución del motor naftero, para lograr mayores performances, y menor consumo y contaminación, fue favorecida por la electrónica –Audi RS5.
 
Es muy importante la evolución experimentada por los llamados motores nafteros o de ciclo Otto, en los últimos tiempos. Como sabemos, los objetivos perseguidos son lograr mayores rendimientos, menores consumos de combustible, y menos emisión de gases contaminantes. Cabe destacar que el aporte de la electrónica, fue decisiva casi desde el comienzo de los años 2.000, ya que se generalizó el uso de las conocidas centrales electrónicas de control del motor.

A esto se debe agregar el uso de multiválvulas, de los sistemas de distribución variable, de la inyección directa de nafta-gasolina, de la turbo sobrealimentación simple o doble, con o sin intercooler. El propulsor naftero, también utiliza el compresor centrífugo como medio de sobrealimentación, y para disminuir las emisiones se usan los conocidos catalizadores. Respecto a los sistemas auxiliares, como la lubricación y el enfriamiento, el aporte de la electrónica fue muy beneficioso. Como resultado también de la investigación y el desarrollo, y para lograr motores potentes, silenciosos y limpios, se recurre al sistema denominado “downsizing”, para reducir el tamaño del motor, es decir su cilindrada, y para disminuir el consumo y la contaminación ambiental.
A todo esto, debemos agregar todos los estudios y los trabajos efectuados para optimizar el proceso de combustión, incluyendo la utilización de las mezclas o cargas “estratificadas”.

La Inyección Directa de Nafta-Gasolina
Este sistema de inyección directa – dentro de la cámara de combustión cuando funciona con mezcla homogénea “rica”, se comporta de alguna manera como la inyección indirecta– en el conducto de admisión –es decir que se dan casi las mismas condiciones. Pero en el funcionamiento con “carga estratificada”, la mezcla de aire/nafta es “estequiométrica” (químicamente perfecta) solamente en la nube que se forma de “carga estratificada” alrededor de la bujía de encendido.

Pero más allá de esta zona, el cilindro está lleno de aire fresco y gas inerte, pero considerando toda la cámara de combustión, la relación aire/nafta es muy alta (mezcla pobre).



Los motores con inyección directa de nafta/gasolina, se están imponiendo, para reducir el consumo y las emisiones contaminantes – Volvo V60.



Ejemplo de un motor “downsizing”, de tamaño reducido y de cilindrada reducida, desarrollado por la firma MAHLE.

Debido a este modo de funcionamiento, no toda la cámara de combustión esta llena con una mezcla inflamable, y como consecuencia el par motor y la potencia suministradas son reducidas. Para que se genere una potencia máxima, debe existir una mezcla homogénea en toda la cámara de combustión (como con la inyección indirecta). 

En función del proceso de combustión, y de distribución de la mezcla en la cámara de combustión, funcionando en modo “pobre”, se producen emisiones de óxido de nitrógeno NOx, que deben ser eliminadas con un catalizador acumulador específico.

El Turbosobrealimentador tipo TGV 

Como es sabido, en este caso, el compresor dinámico esta unido a una turbina centrípeta a través de un eje de rotores, es por eso que el conjunto es denominado turbocompresor. La turbina tiene el fin de accionar al compresor aprovechado la energía proveniente de los gases de escape, los cuales alcanzan temperaturas y presiones elevadas.

En lo referente a los motores de ciclo Otto, de nafta/gasolina, con sistema de distribución variable en combinación con una óptima sobrealimentación, e inyección directa de combustible, estos son especiales para el concepto “downsizing”. Un turbo con turbina de geometría variable TGV, reduce significativamente el consumo. La permanente utilización de herramientas desarrolladas “al estado de arte”, y la búsqueda intensiva en el terreno de los materiales de extrema alta resistencia, permiten la producción en serie de turbos con tecnología TGV para motores nafteros. Aptos para cumplimentar los requisitos de funcionar con temperaturas de escape mucho más elevadas – por encima de los 1.050 grados C, los rotores de las turbinas son fabricados con aleaciones en “base níquel” de alta resistencia.

Los turbos TVG en combinación con la inyección directa de nafta/gasolina, logran grandes ventajas, por ejemplo una buena resistencias a la detonación de alto nivel. La optimización del defasaje de las válvulas - distribución variable– en la gama de bajo régimen del motor, también evita el gas residual de barrido. De esta manera se efectúa un llenado óptimo de cilindros con mezcla fresca, lo que incrementa la potencia del motor.

Respecto al consumo, el mismo disminuye entre un 15 y un 20 por ciento con una conducción normal.

El Sistema de Distribución Variable 
Con respecto al comando de válvulas, son muchos las firmas automotrices que trabajan en el desarrollo de una distribución variable. 

En el control de las válvulas de admisión o de escape, el llenado de los cilindros del motor no se controla con una válvula de mariposa, sino variando la alzada de las válvulas, para mejorar el rendimiento.

El sistema Valvetronic desarrollado por la casa alemana BMW, posee para que su funcionamiento en conjunto sea preciso, conductos individuales de admisión. Este sistema combina la regulación o el reglaje del ángulo de la distribución “VANOS doble”, con un comando de tipo contínuo de la alzada de las válvulas. Un servomotor eléctrico acciona un eje de excéntricas, que actúan sobre los balancines a rodillo. El modo de funcionamiento de este sistema es el siguiente; el árbol de levas de admisión, acciona una palanca intermedia cuya posición es modificada por un eje de excéntricas. De esta manera, se logra una alzada de la válvula variable y contínua.

Componentes de la inyección directa de nafta-Bosch:1-Bomba de alta presión. 2-Empalme de baja presión. 3-Tubería de alta presión - 4- Common rail. 5-Inyectores de alta presión. 6-Sensor de alta presión. 7 Bujía. 8-Válvula de alta presión. 9-Pistón del motor.



Con la inyección directa de nafta/gasolina, la mezcla puede darse de dos maneras; homogénea (rica) o con carga estratificada (pobre)-Volvo. 1- Inyector. 2- Common rail. 3- Bomba de alta presión. 4-Unidad de control electrónico.

Por otra parte la casa Porsche, adoptó un sistema para el modelo Turbo del año 2.000, y para los motores aspirados del modelo Carrera. Para la marcha en vacio y para las cargas reducidas, se utilizan los botadores de tipo de vaso invertido dobles concéntricos, que se apoyan sobre una leva plana, con una corta carrera de la válvula. Si el estado de carga va en aumento, el sistema cambia a 2 levas más inclinadas con una carrera mayor.



En los turbos TVG en baja, los alabes variables de la turbina, casi cerrados compensan el débil caudal de los gases de escape, en el comienzo de la reaceleración En plena carga, los alabes abiertos permiten al turbo entregar toda su potencia.



Los turbos TGV-actuales son construidos “al estado del arte” con materiales de alta resistencia, para motores de ciclo Otto.

Sabemos del afán de las terminales automotrices y de los fabricantes de motores térmicos, para contar con propulsores potentes, económicos y limpios. Para lograr esto, se ha recurrido a distintos soluciones mecánicas con el apoyo de la electrónica, que cada día avanza más. Como manifestáramos oportunamente, se utilizan; sistemas de distribución variable, inyección directa de nafta/gasolina, turbosobrealimentación simple o doble, con y sin “intercooler”. Se recurrió también al compresor volumétrico mecánico y a los convertidores catalícos para los gases de escape.

Hace unos años, también se utiliza el sistema denominado “downsizing”, motores de tamaño y cilindrada reducidos, y debemos agregar el permanente estudio e investigación respecto al proceso de combustión, con mezclas pobres o cargas “estratificadas” en capas o estratos.
Los puntos desarrollados en esa oportunidad, fueron los siguientes:
• La inyección directa de nafta/gasolina.
• El turbosobrealimentador tipo TGV (turbina de geometría variable)
• El sistema de distribución variable.

En lo referente al sistema de distribución variable, se consideraron el sistema desarrollado por BMW “Valvetronic” combinado con el “vanos doble”, y el desarrollado por Porsche, para sus modelos aspirados Carrea del año 2.000.



Las terminales automotrices y los fabricantes de motores, realizan grandes esfuerzos para contar con motores, potentes, económicos, y limpios-Porsche.

La Inyección Directa de Nafta-Gasolina
Este sistema de inyección directa – dentro de la cámara de combustión cuando funciona con mezcla homogénea “rica”, se comporta de alguna manera como la inyección indirecta– en el conducto de admisión – es decir que se dan casi las mismas condiciones. Pero en el funcionamiento con “carga estratificada”, la mezcla de aire/nafta es “estequiométrica” (químicamente perfecta) solamente en la nube que se forma de “carga estratificada” alrededor de la bujía de encendido.

Pero más allá de esta zona, el cilindro está lleno de aire fresco y gas inerte, pero considerando toda la cámara de combustión, la relación aire/nafta es muy alta (mezcla pobre).

Debido a este modo de funcionamiento, no toda la cámara de combustión esta llena con una mezcla inflamable, y como consecuencia el par motor y la potencia suministradas son reducidas. Para que se genere una potencia máxima, debe existir una mezcla homogénea en toda la cámara de combustión (como con la inyección indirecta).

En función del proceso de combustión, y de distribución de la mezcla en la cámara de combustión, funcionando en modo “pobre”, se producen emisiones de óxido de nitrógeno NOx, que deben ser eliminadas con un catalizador acumulador específico.

El Turbosobrealimentador tipo TGV
Como es sabido, en este caso, el compresor dinámico esta unido a una turbina centrípeta a través de un eje de rotores, es por eso que el conjunto es denominado turbocompresor. La turbina tiene el fin de accionar al compresor aprovechado la energía proveniente de los gases de escape, los cuales alcanzan temperaturas y presiones elevadas.



Motor de 3 cilindros en línea en sala de ensayo, con sistema “downsizing”, de reducidas dimensiones y cilindrada, con excelentes rendimientos-Mahle.



Partes componentes del movimiento alternativo –rotativo de un motor desarrollado con “downsizing”, pequeño y compacto- BMW.

En lo referente a los motores de ciclo Otto, de nafta/gasolina, con sistema de distribución variable en combinación con una óptima sobrealimentación, e inyección directa de combustible, estos son especiales para el concepto “downsizing”. Un turbo con turbina de geometría variable TGV, reduce significativamente el consumo. La permanente utilización de herramientas desarrolladas “al estado de arte”, y la búsqueda intensiva en el terreno de los materiales de extrema alta resistencia, permiten la producción en serie de turbos con tecnología TGV para motores nafteros.

Aptos para cumplimentar los requisitos de funcionar con temperaturas de escape mucho más elevadas – por encima de los 1.050 grados C, los rotores de las turbinas son fabricados con aleaciones en “base níquel” de alta resistencia.

Los turbos TVG en combinación con la inyección directa de nafta/gasolina, logran grandes ventajas, por ejemplo una buena resistencias a la detonación de alto nivel. La optimización del defasaje de las válvulas - distribución variable– en la gama de bajo régimen del motor, también evita el gas residual de barrido. De esta manera se efectúa un llenado óptimo de cilindros con mezcla fresca, lo que incrementa la potencia del motor.

Respecto al consumo, el mismo disminuye entre un 15 y un 20 por ciento con una conducción normal.



El sistema VarioCamPlus permite el cambio entre dos valores de alzada de válvulas, y el reglaje de los ángulos de árbol de Continúa en la pág. 66 levas de admisión.

El Sistema de Distribución Variable
Con respecto al comando de válvulas, son muchos las firmas automotrices que trabajan en el desarrollo de una distribución variable.

En el control de las válvulas de admisión o de escape, el llenado de los cilindros del motor no se controla con una válvula de mariposa, sino variando la alzada de las válvulas, para mejorar el rendimiento.

El sistema Valvetronic desarrollado por la casa alemana BMW, posee para que su funcionamiento en conjunto sea preciso, conductos individuales de admisión. Este sistema combina la regulación o el reglaje del ángulo de la distribución “Vanos doble”, con un comando de tipo contínuo de la alzada de las válvulas. Un servomotor eléctrico acciona un eje de excéntricas, que actúan sobre los balancines a rodillo. El modo de funcionamiento de este sistema es el siguiente; el árbol de levas de admisión, acciona una palanca intermedia cuya posición es modificada por un eje de excéntricas. De esta manera, se logra una alzada de la válvula variable y contínua.

Por otra parte la casa Porsche, adoptó un sistema para el modelo Turbo del año 2.000, y para los motores aspirados del modelo Carrera. Para la marcha en vacio y para las cargas reducidas, se utilizan los botadores de tipo de vaso invertido dobles concéntricos, que se apoyan sobre una leva plana, con una corta carrera de la válvula. Si el estado de carga va en aumento, el sistema cambia a 2 levas más inclinadas con una carrera mayor.



El sistema Valvetronic II de variación continua de la alzada de las válvulas de admisión: 1. Actuador (motoreléctrico). 2. Tornillo sin fin. 3. Resorte. 4. Bloqueo. 5. Árbol de levas de admisión. 6. Perfil inclinado. 7. Apoyo del balancín de admisión. 8. Válvula de admisión. 9. Válvula de admisión. 10. Balancín de escape. 11. Botador del balancín de escape. 12. Balancín de admisión. 13. Palanca intermedia. 14. Eje de excéntricos. 15. Engranaje. 16. Árbol de levas de escape.