Evolución de los motores térmicos

Evolución de los motores térmicos




Vista exterior del motor de ciclo Otto (nafta/gasolina) de 5.0 L. y 10 cilindros en V, turbo/“intercooler” TFSI. Este motor posee, una cilindrada total de 4991 cm3, suministrada 580cv a 7.200 rpm. de potencia total y 650 Nm. entre 1.500 y 6250 rpm. de par motor – Audi.


Los motores de ciclo Otto – Nafta/gasolina

En la actualidad, existen marcas que basan gran parte de sus éxitos comerciales, en sus contenidos tecnológicos, es decir que sus vehículos siempre contienen una “avanzada técnica”. Esta vanguardia e innovación tecnológica, significa también ecología, y es la búsqueda permanente de la reducción de las emisiones contaminantes, y de la economía del combustible.

En este constante desarrollo del Motor de Combustión Interna, y en esta parte del propulsor de ciclo Otto de nafta/gasolina, se busca que el mismo sea cada vez más pequeño, que sus dimensiones sean reducidas. A este tipo de técnica de diseño mecánico se lo denomina “downsinzing”, es decir de pequeñas formas.




Conjunto rotativo/alternativo – cigüeñal, bielas y pistones – con desplazamiento de los muñones de biela de 30 grados, con eje de equilibrado de las fuerzas de inercia – Audi V6 3.2 FSI.


También se trabaja en estudios, métodos mecánicos de construcción, experimental, e investigación y desarrollo, para que los mismos tengan cada día, un mayor rendimiento, volumétrico, térmico y mecánico. Para ello se recurre a diferentes soluciones, en conjunto o en forma individual, como lo es por ejemplo la inyección directa de nafta/gasolina (con mezcla aire/combustible, ya sea estequiométrica o pobre/estratificada).

También se utiliza la sobrealimentación con turbosobrealimentador, o compresor volumétrico (en casos especiales con ambos), con y sin “intercooler”, además de otras soluciones mecánicas –ya mencionadas oportunamente–sobre la distribución, y el sistema de admisión y escape.
Respecto a este último, teniendo en cuenta el desarrollo de los catalizadores, incluyendo los distintos circuitos de control de los gases de escape.
Es importante considerar, que a nivel mundial se construyen motores de combustión interna, que usan diferentes combustibles como el metanol y el etanol, el GPL. (gas líquido de petróleo – propano y butano), y el GNC (gas natural comprimido – metano), son los denominados motores Flex.
A todo esto se agrega la evolución de la lubricación y de la tecnología de los lubricantes, de los aditivos confiables y eficientes.




Gráfico de curvas característicos de potencia, par motor y régimen de rpm. del motor V10, 5,0L – de TFSI. del modelo RS6 Avant de Audi.


También aparecen nuevos materiales y nuevas aleaciones denominadas “compound”.
En lo referente a los sistemas auxiliares, oportunamente nos ocupamos del sistema de enfriamiento, controlado electronicamente en donde sus principales particularidades son: a. determinación de la temperatura de acuerdo al estado de carga, b. La regulación de la temperatura del líquido de enfriamiento, por medio del termostato y de la gestión de los ventiladores.
Los beneficios resultantes de esta solución mecánica-electrónica son: la disminución del consumo a regímenes de carga parcial, y la reducción de las emisiones de HC y CO. También se han desarrollado trabajos en las bombas de aceite, de dos etapas de control electrónico. De esta manera, con cargas reducidas y a bajos regímenes, la bomba suministra baja presión. La presión se eleva, cuando el régimen de carga aumenta, es decir que se economiza energía, debido a que el control electrónico adapta la función de la bomba, al funcionamiento del motor.
En lo que corresponde a la inyección directa de nafta/gasolina, la misma también experimentó su evolución. La casa alemana Bosch, desarrolló su tercera generación que trabaja con altas presiones -200 bares- a través de inyectores piezoeléctricos o piezocerámicos, componentes éstos de alta precisión, controlados por la central o Unidad de Control Electrónico del motor denominada ECU.
En la actualidad, y después de varios años de trabajos científicos desarrollados en Japón, se utilizan con total confiabilidad, los inyectores construidos en material “piezocerámico”, que se impone en los últimos años también en los motores de ciclo Otto. A pesar de la velocidad de actuación actual, que se ha logrado con los actuadores electromagnéticos, el actuador piezoeléctrico es muy rápido y controla la aguja del inyector directamente.




Sistema de distribución complejo de un motor V6, con configuración variable para los árboles de levas de admisión y escape, con tensores accionados hidraulicamente, para las cadenas que mueven incluso la bomba de aceite y el eje de equilibrado.


Se puede decir, que los beneficios que la tecnología piezoeléctrica puede aportar son los que se detallan a continuación:
• Disminución del consumo de nafta/gasolina en un veinte por ciento.
• Aumento de la potencia efectiva del motor.
• Reducción de las emisiones contaminantes en un veinte por ciento.
• Disminución de la rumorosidad del motor.
• Se pueden efectuar varias inyecciones por ciclo (dos piloto, una principal, y dos postinyecciones).
• Se puede determinar que los espacios entre inyecciones sean más cortos.
• Disminuye considerablemente el espacio de montaje de los componentes.
• El peso total del electroinyector se reduce al máximo.

En un motor con inyección directa, que funciona de acuerdo a las circunstancias, con una “mezcla estequiométrica” (quimicamente perfecta) o con una “mezcla pobre”, debe existir una perfecta gestión de inyección y de encendido. Si el motor funciona bajo cargas parciales, por ejemplo cuando el vehículo marcha a velocidad de crucero, la nafta/gasolina es inyectada con retardo en el ciclo, es decir al final de la carrera de compresión. El aire ingresa en forma turbulenta, y el combustible inyectado es guiado u orientado hacia la bujía de encendido.
Esta combinación –aire turbulento y nafta inyectada con retardo- brinda mezcla no homogénea, sino “estratificada” (en estratos, en capas).




Motor en sala de ensayo – banco dinamométrico – donde se realizan los relevamientos de curvas características.




Dispositivo hidráulico de distribución variable (desfasaje y alzada) desarrollado por las firmas LUK-INA-FAG.







En los motores gasoleros los inyectores-bomba son controlados por el microprocesador de la ECU, para lograr chorros de inyección de gasoil de alta presión, y una combustión precisa y completa.


Los Motores de Ciclo Diesel – Gasoleros

Como lo dijéramos oportunamente, el sistema Inyector-bomba con reglaje electrónico, está compuesto por un conjunto de inyección para un solo cilindro, con una bomba de alta presión integrada, un inyector, y una electroválvula, montada en la tapa de cilindros de un motor Diesel. Cada cilindro del motor posee su propio inyector.
Cada Inyector-bomba, es accionado por medio de un balancín, y por una leva de inyección del árbol de levas del motor. El principio, y el caudal de inyección se determinan a través de la electroválvula de corte rápido, y se puede seleccionar sin inconvenientes en el campo específico. La electroválvula está abierta, cuando no está excitada con corriente eléctrica, de esta manera, se logra un libre pasaje desde la admisión de gasoil – del sistema de baja presión- hasta la baja presión en la tapa de cilindros, pasando por la zona de la bomba.
Esto posibilita, que el compartimiento de la bomba se llene en el transcurso del ciclo de aspiración del pistón. Si la electroválvula recibe corriente eléctrica, durante la carrera de alimentación del pistón de la bomba, esta derivación se cierra. Este cierre hace que se genere presión, en la zona correspondiente a la alta presión, y que el gasoil se inyecta en la cámara de combustión, una vez que se supera la presión de apertura del inyector.




Con inyección de nafta directa, se puede lograr; a la izquierda se forma una estructura “estratificada” (mezcla pobre), y a la derecha una mezcla “homogénea” con relación “estequiométrica”.


Debido a la compacta estructura, se obtiene un volumen muy reducido, lo que brinda una alta presión y una elevada rigidéz hidráulica. De esta manera las presiones de inyección llegan a 2.000 bares y más.
Junto al reglaje electrónico del denominado campo característico, estas altas presiones de inyección, posibilitan una considerable reducción de las emisiones, y una disminución del consumo de gasoil. El sistema Inyector-bomba cumple con los requisitos necesarios, respecto a los reglamentos internacionales de emisiones contaminantes que están en vigencia.
Con el aporte del reglaje electrónico, se pueden diseñar otras funciones que en especial mejoren mucho el confort de funcionamiento. Por ejemplo, con la ayuda de un “equilibrado adaptativo” de los cilindros (AZG), se puede lograr un funcionamiento uniforme y sin vibraciones, lo que significa una elevada estabilidad de marcha. Al mismo tiempo, con esta función se puede realizar un equilibrio del caudal de cada uno de los inyectores del motor.
A través de una inyección previa con control electrónico (activación de la electroválvula en dos etapas), el ruido producido por la combustión puede disminuirse y puede mejorarse el comportamiento del arranque en frío. Por otra parte el sistema permite desconectar cilindros en forma individual, por ejemplo cuando funciona con cargas parciales.


   

En la actualidad, la turbosobrealimentación es vital para el motor de ciclo Diesel – M. Benz OM 501 LA.


De la misma manera que se da, en los motores de ciclo Otto, la activación de las electroválvulas está a cargo de una Unidad de Control Electrónico ECU., también en el caso de los Inyectores-bomba. Sabemos que esta central, evalúa todos los parámetros del estado del motor, detectados por el sistema, y elabora una respuesta de salida que define perfectamente el comienzo de la inyección, necesario para el respectivo estado de funcionamiento del motor.
También se define, el caudal inyectado de gasoil, con la finalidad de disminuir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. El reglaje del comienzo de la inyección, se concreta a través de una señal BIP. (Beguin of Injection Period), es decir comienzo del período de inyección, para compensar las tolerancias de todo el sistema.
El principio de la inyección, para cada uno de los cilindros, se determina por la evaluación exacta de un engranaje denominado “rueda fónica”. A las funciones básicas de la inyección, se le suman otros multiples funciones para satisfacer las exigencias de confort de funcionamiento, como por ejemplo; el regulador del regimen de ralenti o marcha lenta, el amortiguador de tirones, y el equilibrador adaptativo de los cilindros.
Con respecto a la seguridad de marcha, la Unidad de Control Electró nico, corrige y compensa en forma automática, los errores que se producen y las diferencias de los componentes del sistema, permitiendo en caso de necesidad un diagnóstico preciso del sistema de inyección y del motor.
La ECU además actúa con otros componentes electrónicos, como el ABS, el control de tracción, o el accionamiento de la transmisión automática, entre otras a través del bus de datos CAN.




El elemento inyector–bomba es un solo componente; se trata de un inyector con una bomba inyectora, con válvula electromagnética, montados en conjunto-Bosch.