MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE VIII)

Hola a todos

Como lo prometido es deuda, vamos a acabar con el tema del Sistema de alimentación en motores de combustión interna con este último artículo, y ya pasaremos a explicar otros sistemas que forman el corazón de nuestro vehículo, el motor.
Como ya hemos visto anteriormente, había dos tipos principales de sistemas de inyección en motores Otto, la inyección indirecta y la inyección directa. La primera ya se estudió en el anterior artículo ( para el que no lo haya leído aún o quiera refrescar la memoria, pinchar aquí ). Al contrario que en el caso de las inyecciones indirectas, ya sabemos que los sistemas de inyección directa de gasolina (o gasoil, es igual) introducen el combustible dentro del cilindro, exactamente en la cámara de combustión (para quién no recuerde, se considera cámara de combustión el volumen de aire libre que hay entre la parte superior del cilindro y la cabeza del pistón).

Como también os conté en el anterior artículo, la inyección directa de gasolina se patentó a mediados-finales de los años 90 del siglo pasado, pero hasta hace unos 3-4 años no se ha empezado a popularizar en vehículos. Las razones de que no se introdujeran antes eran varias, pero las más determinantes fueron el ruido que producian (trabaja a más alta presión que la indirecta), y el encarecimiento del sistema de tratamiento de gases de escape debido a que la alta presión produce mucha cantidad de óxidos cancerígenos, tipo NOx. Vamos a ver a continuación esquemas y sus explicaciones pertinenetes:

Observamos donde inyectamos el combustible, dentro de la cámara de combustión. El pistón tiene practicados en su superficie dos rebajes con forma esférica (de casquete esférico) para producir torbellino (llamado tumble en inglés, distinto al swirl producido en inyecciones Diésel). Este torbellino que se origina hacia el centro de la cámara de combustión, favorece que el cobustible esté lo más cerca posible de la bujía, y así hacer la combustión más eficaz. Bien, vamos a ver un esquema más general y explicación del sistema de inyección directa:

En este caso se trata de un sistema Bosch Motronic:

1.- Medidor de masa de aire por película caliente: Este medidor es un sensor térmico, que contiene una membrana sensora que se calienta en su centro, por resistencia eléctrica. A ambos lados de esta membrana la temperatura es menor y esta diferencia se registra a través de dos resistencias (dependientes de la temperatura) colocadas, equidistantes de la central, simétricamente flujo arriba y flujo abajo (flujo de aire se entiende). Si el aire no fluye (es decir no aspiramos), la temperatura será la misma a ambos lados de la membrana. Sin embargo, si aspiramos, el aire fluye y la temperatura será más baja en el lado de la membrana que da al aire, y más alta en el lado que da al motor. Bien estas diferencias se registran, y la resistencia eléctrica actua en consonancia (la membrana es sumamente fina y sensible) calentando mas o menos la membrana, y así regulamos el paso de aire, dejando entrar mas o menos aire.
2.- Sensor de presión: Se utiliza para calcular la cantidad de gases de escape que se harán recircular debido a lo que os comenté antes, estos motores producen muchos óxidos nocivos, y si quemamos por segunda vez eliminamos mucho porcentaje de los mismos.
3.- Circuito de mando de las chapaletas del colector de admisión: Lo explicaré más detenidamente en su momento, pero para que sepais una chapaleta es una especie de trampilla que se coloca en el conducto de admisión (tipo compuerta) para estrangular el flujo de aire, es decir aumentan o disminuyen la sección del tubo y así controlan la presión y cantidad del aire de admisión.
4.- Electroválvula de recirculación de gases de escape (EGR): Con una gran sección para conseguir gran cantidad de gases recirculados (esto disminuye la contaminación, como ya he explicado).
5.- Sensor de presión para servofreno: Regula la depresión de frenado, es decir del freno motor o retenciones del motor.
6.- Unidad de mando de la mariposa del acelerador: Tan sólo os diré que en este tipo de sistemas de inyección, y también en las más avanzadas inyecciones indirectas multipunto el acelerador es electrónico, no mecánico.
7.- Depósito de carbón activo o cánister.
8.- ECU o unidad de control del motor: La encargada de regular todo el proceso, los anteriores elementos están todos conectados a la ECU.

Vamos a ver más en detalle el sistema de inyección propiamente dicho, es decir los conductos, bomba de alta presión e inyectores necesarios:

Como podeis observar, es muy parecido al sistema common rail de los Diésel modernos, lo que ocurre que aquí, después de bombear el combustible gracias a la bomba de alta presión, primero enfriamos un poco el combustible y luego lo introducimos en el raíl común. Los inyectores piezoeléctricos son prácticamente iguales a los del sistema Diésel ( recordar pinchando aquí ), y son mejores que los mecánicos, ya que son mucho más rápidos a la hora de cerrar o abrir para controlar el combustible que entra. Además para las altas presiones que se manejan son mucho más precisos.

Y como es costumbre en este blog, siempre que terminamos con un sistema, sea el que sea, explico conceptos básicos en competición, mayormente la Fórmula 1. En el caso del sistema de inyección de combustible, en la Fórmula 1 se utiliza el sistema de inyección directa, pero desde los años 90 mas o menos. Y para asombro de muchos de los que leeis estas líneas, el sistema es idéntico al de calle, sólo que en competición se priman siempre las prestaciones frente al comfort de uso, u otros detalles. Últimamente si que se obliga a que contaminen menos, dentro de lo posible (un motor que consume 60-70 litros de combustible cada 100 Kms recorridos no es precisamente verde).
Pero lo más interesante del sistema de inyección en un F1 es quizá la presión a la que se inyecta el combustible, unas 10 superior a la calle. Esto hace que se pulverice de tal forma que lo que entra a la cámara de combustión es vapor practicamente.
La otra razón por la que en Fórmula 1, aún usando un sistema similar a la calle, obtenemos mucha más potencia específica y par motor es la electrónica más avanzada y el sistema hidráulico auxiliar que se encarga de de darle la presión adecuada al combustible. Sin este sistema, los F1 no funcionarian.
Voy a explicar dos conceptos muy importantes en motores y que están también íntimamente ligados a la competición, estos conceptos son la Potencia y el Par Motor (Power y Torque en inglés respectivamente). 

• Potencia: La potencia (P) en ingenieria (o física) es la razón del trabajo mecánico (W) realizado en un intervalo de tiempo (t). El trabajo mecánico es la fuerza aplicada (F) multiplicada por ua distancia recorrida (d):

La potencia la medimos en watios, la fuerza en newtons, la distancia en metros y el tiempo en segundos:

1 watio = 0,00136 caballos de vapor o potencia (CV).
1 newton = 9,82 Kg de fuerza.

• Par Motor: Este concepto es más difícil de entender, pero tratare de explicarlo con un ejemplo. Supongamos que tienes un tornillo con una tuerca apretado. Quieres aflojar esa tuerca para poder sacar el tornillo, así que coges tu llave de tuercas y empiezas a girarla hasta que se afloja y ya lo haces con los dedos simplemente. Bien, el par motor es el sistema de fuerzas que has aplicado para vencer la resistencia inicial de la tuerca a su giro (son dos fuerzas, una la que aplicas a tu llave con tu mano y la otra es la que se transmite a través de la llave a la tuerca, de ahí el nombre "par motor"), un ejemplo gráfico (no es exacto, pero al menos es entendible):

Bien, en nuestro motor serían las dos fuerzas que se aplican al eje del motor por parte del mismo para vencer la resistencia al avance de las ruedas del vehículo. El par motor es una fuerza por una distancia (no es un trabajo puesto que no hay avance) de aplicación, es decir un brazo de palanca (longitud del elemento que aplica la fuerza). En la foto nuestro brazo de palanca iría desde la mano hasta el elemento que gira la tuerca. Multiplicariamos la fuerza que aplicamos con la mano por esa distancia y obtendríamos el par motor. Se mide en newtons x metro, también en kilogramos x metro.
Ahora que conocemos mejor que son estos dos conceptos vamos a ver un gráfico, que muchos habreis visto ya, y a interpretarlo:

Vemos, en el lado de ordenadas o eje y, la potencia en Kilowatios (1 Kw = 1000 w). En el eje coordenado o x vemos las revoluciones por minuto del motor, su velocidad de giro. En el gráfico observareis (este es de un motor Otto, pero la forma general suele ser esta para todo tipo de motores de combustión interna) un aumento de la potencia directamente proporcional a la velocidad de giro del motor, pero llegado un punto, aumentar las rpm del motor no aumenta la potencia que obtenemos. Esto ocurre prácticamente en todo tipo de motores de combustión interna y se debe precisamente a esa velocidad de giro, en los gasolina es más acusada esa perdida que en los Diésel. ¿Porqué ocurre esto exactamente? Porque en realidad el sistema de inyección de combustible tiene un límite operativo, superado el mismo, no tiene precisión ni potencia suficiente para inyectar el combustible eficazmente. Y en segundo lugar el sistema de distribución (el que controla la apertura y cierre de válvulas) no es capaz de abrir y cerrar las válvulas con la suficiente celeridad para que los gases de escape y de admisión fluyan como deben. Vamos a verlo esto reflejado en otro gráfico más completo que el anterior:

Esta gráfica contiene dos curvas características de las tres de un motor, aquí tenemos la potencia y el par motor. Como podeis observar, la potencia tiene el ritmo de escalada parecido a la anterior gráfica, pero el par motor vemos como llegado un nº de revoluciones se estanca y luego decrece. Esta curva de par motor lo que nos indicará es la capacidad de recuperar revoluciones un motor cuando aceleramos desde cierta velocidad. La curva de potencia sin embargo, nos indicará la capacidad de trabajo que tiene ese motor, es decir cuán rápido ganará velocidad el mismo. Esta curva de par es característica de motores de gasolina atmosféricos, es decir la aspiración de aire se hace sin utilizar ningún tipo de compresor para acelerar el flujo. Bien, esto me direis que está genial pero, ¿donde está la zona de uso ideal del motor?, es decir, ¿en que intervalo de rpm tendré el mayor rendimiento del motor? La pregunta no es sencilla, pero podemos acudir a un tercer gráfico para aclararla:

Estas son las tres curvas características de cualquier motor de combustión interna. El punto de consumo mínimo se encuentra siempre a menor rpm de motor que el de par motor máximo. Esto quiere decir que el punto ideal estaría, dependiendo del uso, o en el de consumo mínimo o en el de par máximo. Los fabricantes son reacios a proporcionar estas cifras porque en realidad mucha gente no conoce como interpretarlas, pero en realidad es sencillo una vez comprendido en que consisten. Hay situaciones extraordinarias que sería contraproducente utilizar el motor sólo en esa franja ideal que os he dicho, unos ejemplos prácticos:

• En ciudad es recomendable utilizar el motor, siempre que sea posible, en la zona de consumo mínimo (en un intervalo de rpm). En motores de gasolina recomiendo un intervalo de utilización de unas 2000-2500 rpm, mientras que en Diésel de unas 1500-2000 rpm.
• En carretera de doble sentido es recomendable la misma zona para llanear o mantener una velocidad fija, pero para adelantar es mejor aumentar el régimen y aprovechar la potencia. Subir a unas 4500-5000 rpm antes de cambiar a la siguiente marcha en motores de gasolina y en Diésel hasta 3500-3800 rpm. 
• En autovías y autopista, generalmente, un coche medio irá a 120 Km/h en 5ª velocidad a unas 3500-4000 rpm en motores de gasolina, y en Diésel a unas 2500-2700 rpm. Los coches con sexta velocidad suelen rebajar los consumos porque el régimen baja unas 300-400 rpm con respecto a los que sólo tienen 5ª marcha.
• En ocasiones especiales como adelantamientos, subidas de puertos de montaña, etc...es recomendable utilizar la mayor parte del régimen del motor y así aumentar la potencia para compensar la resistencia al avance.
• En frío, al arrancar es recomendable no exigir prestaciones hasta que el motor aclance temperatura de servicio (mirar la tempreatura del agua, debe estar entre 85º y 92º centígrados). Si es gasolina se puede iniciar la marcha inmediatamente, si es Diésel es recomendable no inicarla hasta pasados unos 5-10 segundos. Al apagar el motor es recomendable esperar unos segundos en un gasolina y en Diésel, si ha hemos hecho un recorrido por carretera, dejarlo en ralentí durante un minuto, para que enfrie aceite y órganos auxiliares (como el turbocompresor).

Con estos consejos me despido ya de los sistemas de alimentación en motores de combustión interna, espero os haya sido de ayuda o al menos hayais aprendido algo más sobre vuestro vehículo. En próximos artículos conoceremos el sistema de admisión, que este si es común a los dos tipos de motor, tanto Otto como Diésel.

Hasta pronto, os dejo la bibliografía:


- http://www.sabelotodo.org/automovil/curvasmotor.html
- http://www.forocoches.com/foro/showthread.php?t=1172617
- http://www.emaresme.com/nautica/potencia-motor.htm
- http://motor.terra.es/galerias-coches/portada.cfm?id_galeria=18236&ini=4&indicarama=4
- http://blogdeautomoviles.com/65479/medidor-de-masa-de-aire-de-pelicula-caliente/
- http://www.aficionadosalamecanica.com/inyeccion_directa2.htm
- http://www.aficionadosalamecanica.com/inyec-gasoli-direc.htm