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MAQUINAS ALTERNATIVAS
MEJORAS EN LA PERFORMANCE
Desde que se construyeron los primeros prototipos de motores de
combustión interna de pistón, allá por los finales del siglo XIX, no se han
dejado de ensayar variantes y mejoras a los distintos componentes de la
máquina con el objetivo de optimizar las prestaciones de la misma.
Los resultados que se han obtenido, en este proceso de evolución continua
son realmente asombrosos.
La búsqueda de mejoras en la performance de estas máquinas tiene
orígenes bien distinguibles y en alguna medida, hasta antagónicos.
En efecto, los móviles han sido, son y serán:
• Mejorar las prestaciones: Lograr un aumento del par motor y de la
potencia, es lo típico para competencias deportivas y/o
comerciales.
• Mejorar el rendimiento: Una búsqueda más racional desde lo
energético y para minimizar el impacto ambiental derivado del uso
de los motores.
Pero a poco que analicemos este tema en profundidad veremos que los
objetivos antes mencionados, están íntimamente relacionados.
No resulta adecuada, ni siquiera para competencias deportivas una máquina
con muy altas prestaciones, pero con un consumo irracional que obligue a
llevar un depósito de combustible enorme.
Esto determina un aumento importante de la masa inicial, restando
aceleración a la máquina o condiciona los tiempos de reposición en caso
que ello fuese posible.
Algo similar sucede con una máquina con un rendimiento global
superlativo, pero con muy bajas prestaciones de par motor y potencia.
Citaremos a continuación algunos de los elementos elegidos por
investigadores y entusiastas para ensayar variantes y proponer mejoras
funcionales:
• Sistema de admisión y escape
• Tubos de admisión y escape sintonizados.
• Mecanismo de distribución.
• Diseño del reactor de combustión.
• Cámaras de combustión multiválvulas.
• Técnicas de quemado rápido o “Fast Burn”
• Turbulencia rotacional inducida o efecto “Swirl”
• Efecto “Tumblé” (variante espacial del Swirl)
• Sobrealimentación.
• Mejoras en materiales y lubricantes.
• Mejoras en la Carburación.
• Sistemas de inyección de combustible
• Sistemas de encendido.
• Electrónica aplicada.
• Desarrollo de motores adiabáticos.
• Mejoras en los combustibles.
• Modificaciones al ciclo teórico.
En adelante haremos una breve descripción de cada uno de estos
puntos, donde podremos ver que en general están muchas veces
interrelacionados entre sí.
A modo ilustrativo citaremos algunos desarrollos que muestran el límite de
la tecnología en cada aplicación.
SISTEMA DE ADMISION Y ESCAPE
En líneas generales, los sistemas de admisión y escape son los
elementos elegidos con mayor recurrencia por entusiastas de todas latitudes
en el intento de mejorar las prestaciones.
Desde que se comenzó con el desarrollo de este tipo de motores, los
investigadores entendieron que la clave para obtener caballos pasa por la
cantidad de combustible que se puede quemar dentro del reactor y ello
depende de la masa de aire disponible dentro de los cilindros.
Los avances en este campo han posibilitado mejorar sensiblemente el
rendimiento volumétrico a alto régimen, muchas veces sacrificando
rendimiento térmico.
Es importante que el proyectista entienda que no siempre más es mejor.
TUBOS SINTONIZADOS
Afinando un poco sobre el tema anterior, la mecánica de fluidos nos
enseña que podemos utilizar las ondas de presión que se generan en los
conductos de admisión y escape para favorecer la carga de gases frescos al
interior del motor y la evacuación de gases quemados al exterior del
mismo.
Llevado al límite este efecto, se puede obtener una sobrealimentación
dinámica del motor de hasta 30%.
Lamentablemente este fenómeno asociado a las ondas de presión, puede ser
aprovechado solo a determinado régimen del motor y/o para algunas
ventanas de frecuencia, debido esto a las dimensiones del conducto.
En la actualidad se construyen motores con longitudes variables de sus
tubos de admisión/escape para favorecer este efecto.
Citamos como ejemplo el motor de la motocicleta BMW S1000RR que
desarrolla 193CV a 13000rpm con un tetra cilíndrico aspirado de 1000cm
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Este motor tiene un colector de admisión de longitud variable, donde un
servomotor ajusta el largo de los conductos en función de las rpm.
La figura siguiente ilustra sobre las prestaciones conseguidas.
MECANISMO DE DISTRIBUCION
Elemento de trabajo muy importante para mecánicos avezados,
particularmente para aquellos que trabajan en diseño de motores y para
quienes se dedican a potenciar motores para competencias deportivas.
El diseño del perfil de las levas y la disposición del árbol de levas dentro
del motor, admiten una enorme cantidad de variantes y consecuentemente
de posibilidades de mejora.
Los desarrollos más avanzados permiten cambiar el diagrama de
distribución en forma continua, ajustándose a la demanda de par y potencia
de la máquina.
Citemos como ejemplo de ello el sistema VTEC (Variable Valve Timing
and lift Electronic Control) y sus variante actualizada i-VTEC desarrollado
y utilizado por Honda.
DISEÑO DEL REACTOR DE COMBUSTION
La geometría de la cámara de combustión, la posición de la bujía o el
inyector y de las válvulas, así como los materiales empleados en la
construcción del reactor son determinantes para el desempeño del mismo.
Reviste también mucha importancia en este tema el diseño de la cabeza de
pistón.
En la actualidad, la configuración más empleada es la de cuatro válvulas
por cilindro con bujía / inyector en posición central y una geometría que
favorece el desarrollo de una turbulencia rotacional en un plano ortogonal
el eje del cilindro.
CAMARAS DE COMBUSTION MULTIVALVULARES
En un intento por mejorar las condiciones de respiración de un motor
se han ido ensayando tapas de cilindro con tres, cuatro, cinco y hasta ocho
válvulas por cilindro.
Naturalmente aquí tenemos una serie de pros y contras que tendremos que
evaluar críticamente. Como caso extremo de este desarrollo citaremos
nuevamente un desarrollo propuesto por Honda en el motor de sus
motocicletas NR500 y NR750 que se presentaron a finales del siglo
pasado.
La NR 500 fue la primera moto GP de la historia, el prototipo debutó en
1983 en la categoría reina de 500cm
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dominada históricamente por los
motores de 2T.
La NR 500 desarrollaba 130 CV a 23000rpm
La citada máquina tenía cuatro cilindros ovales en V con 8 válvulas por
cilindro, cuatro para el escape y 4 para la admisión.
Tal curioso diseño se complementaba con la instalación de dos bujías de
encendido.
Dos bielas, se encargaban de vincular cada uno de estos pistones de
geometría oval con el árbol cigüeñal.
Honda nunca entregó información acerca de la tecnología empleada en los
aros de pistón que por otra parte le generó muchos problemas y que
determinaron el mote de Never Ready con lo que la bautizo la prensa
especializada.
Una década más tarde, en 1992 Honda comercializo una asombrosa NR750
para un público selecto.
En efecto, la venta de tales máquinas, estaba condicionada a usuarios
seleccionados que aparte de tener una abultada billetera, tomaban el
compromiso de no desarmar nunca, por ninguna causa uno de esos
motores, los cuales deberían ser remitidos a talleres oficiales de Honda.
Un interesante desafío tecnológico, comercialmente fue un fracaso.
TECNICA DE QUEMADO RAPIDO
Técnica desarrollada para los motores de aviación a principios del
siglo pasado y de gran aplicación hasta nuestros días.
En la bibliografía se lo suele encontrar como “Fast Burn”
Entre los elementos característicos citaremos: La posición central de la
bujía, la turbulencia rotacional inducida (efecto Swirl) y una adecuada zona
de laminación de la mezcla.
Basa su operación en proporcionar una alta velocidad de arrastre al proceso
de combustión.
Su aplicación determina una mejora al rendimiento cualitativo, pero lo más
importante es que permite alcanzar altos regímenes de operación
TURBULENCIA ROTACIONAL INDUCIDA
Técnica conocida como efecto Swirl, consiste en un adecuado diseño
del tubo de admisión que obliga a ingresar a la mezcla dentro del cilindro,
siguiendo una trayectoria tangencial al mismo, con alta velocidad de
rotación y fuertes efectos cortantes contra las paredes generando vórtices
de alta turbulencia.
En el efecto swirl los gases giran sobre el eje del cilindro en cualquiera de
los sentidos posibles.
El efecto swirl debe mantenerse y complementarse durante la fase de
compresión, esto se logra mediante un adecuado diseño del reactor.
Se define al número de Swirl como a una relación que indica cuanto más
rápido gira la carga dentro del cilindro respecto de la velocidad de giro del
motor.
Para que la turbulencia rotacional inducida tenga un efecto sensible sobre el
quemado rápido se requiere un número de Swirl de entre 3 a 6.
Estamos diciendo que la mezcla gaseosa debe mantener un vórtice, rotando
a una velocidad de entre 3 y 6 veces la propia del motor y eso da valores
muy grandes.
Si por ejemplo tenemos un motor girando a 6000rpm será necesario que la
mezcla carburada gire dentro del reactor con velocidades de entre 18000 a
36000rpm.
EFECTO TUMBLE
Variante espacial del efecto Swirl, donde la carga es obligada a girar
dentro del reactor en torno a un eje normal al eje del cilindro, esta variante
está muy relacionada con el desarrollo de cámaras multivalvulares y con la
aplicación del sistema de inyección directa de gasolina en motores de
encendido por chispa.
SOBREALIMENTACION
Ya hemos indicado que la clave para obtener caballos pasa por la
cantidad de combustible que se puede quemar dentro del reactor y ello
depende de la masa de aire disponible dentro de los cilindros.
La sobrealimentación es la manera más eficiente para cargar más aire al
reactor de una máquina.
Si la sobrealimentación se realiza con un compresor mecánico hablamos de
motores supercargados, en tanto que si empleamos un turbocompresor,
decimos motores turboalimentados.
La compresión del aire en un compresor mecánico o en un turbocompresor
es un proceso idealmente adiabático que determina un aumento de
temperatura del fluido y la correspondiente disminución de su densidad.
El efecto de la sobrealimentación puede mejorarse, instalando un enfriador
de gases post compresión al que se le da el nombre de intercooler.
Los vehículos de alta gama emplean turbocompresores de geometría
variable, que proporcionan una muy buena respuesta para los distintos
estados de carga, minimizando ese retardo característico de respuesta de los
turbocompresores de geometría fija.
MATERIALES Y LUBRICANTES
Nada de todo lo dicho tendría aplicación práctica sin la
correspondiente evolución de materiales y lubricantes.
No podríamos hacer frente al fuerte aumento de la carga térmica y
mecánica derivada de las mejoras citadas anteriormente sin la
correspondiente evolución de los materiales y de los lubricantes del motor.
Las tecnologías de fabricación que acompañan a los nuevos materiales han
tenido una gran importancia en este proceso.
MEJORAS EN LA CARBURACION
Ya sea dentro o fuera del cilindro, antes o durante la carrera de
compresión, el tema de la carburación de la mezcla ha evolucionado
permanentemente junto a los motores.
Desde una gran variedad y tipo de carburadores de mezcla tipo venturi,
pasando por los sistemas de inyección electrónica monopunto y multipunto,
hasta los modernos sistemas de inyección directa en los motores nafteros.
Desde los sistemas de inyección de polvo de carbón a los modernos
sistemas de camon rail o de Inyector-bomba en los motores Diesel.
En la actualidad existen prototipos de motores polivalentes que se adaptan
para funcionar con cualquier tipo de combustible.
Tienen bujías e inyectores que utilizan alternativamente según el tipo de
combustible y pueden modificar la relación de compresión ajustándola para
posibilitar el funcionamiento optimizado en cada caso.
Se menciona que para modificar la relación de compresión se construyen
motores con el árbol cigüeñal montado sobre un carter estructurado que
puede moverse con una articulación respecto del bloque de cilindros o
block motor, modificando con ello la posición extrema del PMS alcanzada
por los pistones y con ello el volumen de la cámara de combustión.
Reactor Polivalente
SISTEMAS DE INYECCION DE COMBUSTIBLE
La inyección de combustible, desarrollada y perfeccionada desde los
comienzos de la evolución de los motores de encendido por compresión a
alcanzado en la actualidad un nivel de desarrollo muy importante.
Los sistemas de colector único (Common Rail) han permitido alcanzar
presiones de inyección de hasta 1000 Kg/cm
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y el desarrollo del inyector-
bomba llega a duplicar ese valor.
La tecnología empleada en la fabricación de inyectores multitoberas y la
gestión electrónica de la inyección han permitido emplear cámaras de
inyección directa que funcionan con muy alto rendimiento, minimizando la
emisión de contaminantes.
En el campo de los motores de encendido por chispa, la evolución de la
inyección, primero mecánica y luego electrónica, a reemplazado al viejo
carburador con enormes ventajas en el plano funcional.
Desde los sistemas de inyección monopunto que emulaban a un carburador
elemental, pasando por los sistemas de inyección multipunto con su rampa
de inyectores con uno para cada cilindro, hasta los actuales sistemas de
inyección directa que posibilitan un funcionamiento normal de los motores
en cargas parciales con relaciones de mezcla, extremadamente pobres.
Inyección directa (Common Rail)
SISTEMAS DE ENCENDIDO
La energía de activación es un elemento clave para el comienzo y
desarrollo del proceso de combustión.
La posibilidad de ir variando el momento de disparo, la intensidad y
duración del mismo ha sido un elemento de permanente evolución de los
motores de ciclo de Otto.
ELECTRONICA APLICADA
Curiosamente la electrónica aplicada es el elemento que ha permitido
las mayores transformaciones en las prestaciones de nuestras máquinas.
La aplicación de la electrónica a los procesos de control y gestión de las
variables operativas de un motor han hecho maravillas.
La sincronización del encendido y la inyección del combustible, la
dosificación adecuada del combustible y hasta el cambio del diagrama de
distribución es posible y sencillo mediante la aplicación masiva de la
electrónica al motor.
DESARROLLO DE MOTORES ADIABATICOS
Actualmente se trabaja en el desarrollo de los llamados motores
adiabáticos, concepto con el cual se pretende minimizar la transferencia de
calor en el sistema de refrigeración.
Estos motores tienen la particularidad de emplear un recubrimiento
cerámico sobre aquellos órganos que presentan alguna superficie expuesta
al reactor de combustión.
Estamos hablando de la cabeza del pistón, del cielo de la tapa de cilindros,
de los hongos de las válvulas, del aro de fuego y de la parte alta de la
camisa de cilindro.
Con el empleo de estos materiales resulta posible aumentar bastante la
temperatura media máxima de operación y consecuentemente el
rendimiento térmico sin comprometer la funcionalidad de los elementos
que soportan la carga térmica.
MEJORAS EN LOS COMBUSTIBLES
No nos podemos olvidar de la fuente primaria de energía y de cómo
su naturaleza condiciona al funcionamiento del motor, tanto es así que el
octanaje de las gasolinas ha ido mejorando en forma sostenida, pudiendo
decirse algo similar respecto del número cetano de los combustibles diesel.
MODIFICACIONES AL CICLO TEORICO
En la búsqueda incesante de alternativas para mejorar las
prestaciones del motor de combustión no ha pasado por alto la aplicación
del concepto de expansión completa propuesta por James Atkinson allá por
1882.
En la actualidad se han desarrollado motores de encendido por chispa en
los cuales se ha aumentado la relación de expansión, consiguiendo muy
buenos resultados en términos de rendimiento térmico, sacrificando algo en
términos de potencia específica.
Se ha generalizado el uso de este concepto de motor en los vehículos
híbridos donde efectivamente lo importante es la economía de carburante,
ya que el déficit de potencia específica puede ser compensado con la
potencia de los motores eléctricos.
Mientras que algunos fabricantes de motores como Toyota y Hyundai,
logran una buena aproximación al ciclo de Atkinson, mediante una técnica
combinada de control del ángulo de cierre de la válvula de admisión y de
inyección directa de combustible, Honda volvió a las bases y recuperó en
parte la idea original patentada por Atkinson, actualizando el diseño de un
curioso elemento de tres barras que vincula al pistón con el árbol cigüeñal,
logrando un movimiento de pistón con longitud de carrera variable.
Operando de tal modo, se tiene una carrera corta para Los procesos de
admisión y compresión, manteniendo una relación de compresión típica de
un motor de ciclo Otto y luego se completa el ciclo con un par de carreras
largas, con lo que se aumenta la relación de expansión hasta valores
correspondientes a un ciclo de Diesel.
En el mecanismo actual propuesto por Honda se mantiene el concepto de
motor de 4 carreras desarrolladas mediante dos vueltas del árbol cigüeñal
como muestra la figura
Es preciso destacar la genialidad de Atkinson al patentar un mecanismo que
no solo tiene carreras de longitud variable, sino que desarrolla las cuatro
carreras en una sola vuelta de cigüeñal.
Pueden verse animaciones de este mecanismo en la Web.
Rendimiento del motor naftero de 4T.doc
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