El motor de gasolina de inyección directa – un proyecto

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El motor de gasolina de inyección directa – un proyecto con futuro
Redactado por Stephan Hauri
Introducción
Un largo camino hacia el éxito
A carga parcial... mezcla pobre
A plena carga... mezcla rica
¿Adiós a la válvula de mariposa?
Propuestas de solución para motores híbridos
Introducción
Con el lanzamiento del modelo de clase media conocido con el nombre de Carisma GDI se
convierte Mitsubishi en el primer fabricante capaz de desarrollar un motor de gasolina (motor
otto) de inyección directa preparado para ser producido en serie y que además las restrictivas
normas sobre los gases de escape. De igual forma existen otros fabricantes que observan
proyectos similares.
En teoría‚ para el investigador del campo de los motores‚ apenas existe algo mejor que el
motor de gasolina de inyección directa. Con esta idea lo que se hace es combinar las grandes
prestaciones del motor otto con el ejemplar comportamiento del motor Diesel en cuanto a
consumo de combustible. Bien es verdad que ya hace mucho tiempo que los ingenieros
dedicados a la investigación consiguieron controlar la mezcla elaborada en los motores otto de
inyección directa el tiempo necesario para poder conseguir un comportamiento de marcha y
rendimiento satisfactorio; sin embargo‚ hace menos tiempo han fracasado dichos motores por
problemas en la calidad de los gases de escape así como en la dilución del aceite. Los mejores
ejemplos de tales motores pioneros son el Gutbrod Superior‚ de 0.7 litros de cilindrada y 30
CV‚ y el legendario Mercedes 300 SL “Alas de Gaviota” de 3 litros de cilindrada y 215 CV‚
ambos de los años 50.
Un largo camino hacia el éxito
Más adelante ¿?‚ por motivos técnicos y económicos‚ se impusieron los motores PW con
carburador y más tarde aún aquellos con inyección indirecta (en el conducto de admisión). Sin
embargo‚ después de que los ingenieros de los pasados decenios discutieran una y otra vez
sobre la combustión pobre en el motor de gasolina y que sobre todo los japoneses nos hicieran
llegar continuamente desde los años 70 sus nuevos y parciales éxitos en el campo de la carga
estratificada (Honde CVCC y VTEC-E‚ Mitsubishi Vertical Vortex‚ Toyota Magermix)‚
actualmente existen más fabricantes capaces de controlar la combustión pobre y el tratamiento
ulterior de los gases de escape en el motor de gasolina de inyección directa‚ de manera que
dicho motor baste para cumplir con las normas de emisión de gases. A diferencia del motor
diesel‚ el motor otto necesita una mezcla homogénea en el área estequiométrica (de
combustión ¿??). La forma más óptima de tratar tal carga es mezclando ya en el conducto de
admisión el combustible con el aire debidamente filtrado. Más tarde‚ gracias al control
lambda (razón aire-combustible) así como al catalizador de tres vías‚ tampoco la purificación
de humos presenta un gran problema. Sin embargo‚ en lo que se refiere a la optimización del
consumo en este tipo de motores lambda‚ nos encontramos enseguida con límites reales‚ ya
que dichos motores no se pueden accionar con una mezcla muy pobre.
En ese momento es cuando el técnico se remite al motor diesel y a la combustión de
garantizada calidad del autoinflamador‚ donde la mezcla es rica sólo si hay una gran
necesidad de potencia. En el funcionamiento a carga parcial‚ el motor diesel tiene una
potencia muy baja‚ por lo que también consume poco‚ además de que no requiere válvula de
mariposa. Gracias a la inexistencia de ésta (y sus posibles mermas) ¿? se evitan otro tipo de
deterioros importantes para la eficiencia de este sistema.
A carga parcial ... mezcla pobre
Pero para que una mezcla muy pobre en motores otto lleguen con seguridad a inflamarse y
quemarse completamente se requiere un gran número de nuevas técnicas.
Regla fundamental: la combustión ha de comenzar ya con una cierta mezcla rica y las
turbulencias que tienen lugar en el interior de la cámara de combustión son responsables de
garantizar el término de aquella. En principio‚ Mitsubishi soluciona el problema de la
combustión de mezcla pobre en el Motor GDI (Inyección Directa de Gasolina) distinguiendo
entre dos conceptos diferentes de inyección y combustión‚ por una parte el “régimen de
ahorro” para la marcha en vacío y el área inferior de carga parcial‚ y por otra el “régimen de
máxima potencia” para el área superior de carga parcial y para la plena carga ¿?.
En el régimen de ahorro‚ en el que se queman mezclas pobres en una proporción de hasta 40:1
(40 gramos de aire por 1 de gasolina)‚ el aire que llega a la cámara de combustión a través del
casi perpendicular canal de aspiración experimenta una gran turbulencia. Al finalizar el ciclo
de compresión la gasolina se inyecta en la amplia cavidad del pistón‚ que a su vez conduce la
mezcla rica hacia el campo de electrodos de la bujía‚ donde finalmente comienza la
combustión con una fuerte chispa. Para que la gasolina inyectada alcance el movimiento
cinético necesario‚ la tobera de inyección de alta presión (50 bares) está equipada con una
microplaca de turbulencias ¿?. En el régimen o económico de ahorro el motor del Carisma
deberá alcanzar velocidades que no superen los 140 km/h.
A plena carga ... mezcla rica
En el régimen de máxima potencia‚ sin embargo‚ el motor funciona de forma completamente
diferente: en este caso la inyección de combustible se produce ya en la fase de aspiración‚ en
un ancho cono de atomización. Gracias a la fina pulverización de la gasolina se puede extraer
calor del aire‚ lo cual a su vez hace posible un buen llenado. A través del enfriamiento que
lleva consigo la combustión del aire‚ aumenta la relación de compresión (en este caso en
cuestión‚ en una relación de 10.5:1 a 12.5:1)‚ siendo éste una medida que naturalmente
conlleva una optimización de la eficiencia. Finalmente‚ durante el ciclo de compresión‚ a la
bujía le llega del pistón una mezcla homogénea cuya combustión crea un momento de torsión
que supera a los motores convencionales en un 10% aproximadamente ¿?. El MitsubishiDOHC-Vierventiler de 1834 cm3 y modelo de larga carrera de pistón produce‚ en su
momento máximo de torsión‚ una cifra máxima de par de 174 Nm a 3750 rpm. Alcanza la
cresta de potencia de 125 CV/92 Kw a 5500 rpm. Si de pronto se exige mucha potencia en el
régimen de consumo reducido‚ el sistema cambia a una inyección de dos etapas. Gracias al
reducción de la emisión de gases de escape‚ el motor GDI puede mantener la emisión cruda ¿
de óxido de nitrógeno a unos niveles comparativamente muy bajos. Con tasas de reducción de
alrededor del 30% durante la marcha en vacío‚ este motor supera con diferencia el sistema de
inyección indirecta. Los motores convencionales .....¿????
¿Adiós a la válvula de mariposa?
En realidad también se debería poder accionar sin problemas el vehículo de gasolina de
inyección directa sin necesidad de la válvula de mariposa‚ como pasa con el diesel‚ pero para
ello se requieren aún ciertas medidas de desarrollo. De momento‚ el motor GDI‚ tal y como lo
presenta Mitsubishi‚ necesita aún la válvula de mariposa para controlar la reducción de los
gases de escape así como para cumplir con otras normas de estricto cumplimiento. Sin
embargo‚ se prevé para el futuro la existencia de motores de gasolina sin esta válvula.
Entre los pioneros del desarrollo de motores de gasolina de inyección directa se encuentran
Mitsubishi‚ Toyota y Subaru‚ habiendo propiciado éstos seguramente que otros muchos
fabricantes de motores así como empresas suministradoras no hayan permanecido pasivos con
respecto a esta tendencia. En el caso de Toyota‚ la relación de compresión del ¿? es de 10.0:1
y con ello hace posible la conducción con gasolina normal de 91 octanos‚ que en Japón es
considerablemente más barata que el combustible super. Asimismo Toyota establece una
presión de servicio de 80 a 130 bares así como un 40% de tasa máxima de EGR. La válvula
de mariposa del motor D-4 se coloca independientemente del pedal del acelerador Drive-bywire de la dirección del motor según un algoritmo de conducción especial‚ para poder
reaccionar lo más rápido posible a las exigencias repentinas de suministro de aire. Audi‚ por
su parte‚ prevé como fuente de propulsión para el utilitario A12 Space-frame-aluminium ¿?
un motor de gasolina de inyección directa de tres cilindros 1‚2-1 ¿? Que dispone de cinco
válvulas por cilindro. Con presiones de cerca de 100 bares y un sistema innovador para el
movimiento de carga variable‚ el motor de metal ligero debe consumir en el área de carga
parcial entre el 15 y 20% menos que un motor convencional de gasolina.
Propuestas de solución para motores híbridos
Honda‚ Mazda y Nissan han presentado en la última feria del motor de Tokio los primeros
motores de este tipo‚ en parte como componentes de un motor híbrido. El motor DIATA
(Direct Injection‚ Aluminium‚ Throuhg-bolt Assembly) de Ford‚ una construcción de metal
ligero de cuatro cilindros 1‚2-1‚ está asimismo pensado como base para futuros proyectos de
motores híbridos. Por supuesto‚ en el desarrollo de la gasolina de inyección directa
encontramos en primera fila a la empresa suministradora Bosch. Para recopilar las primeras
experiencias relacionadas con este desarrollo‚ los fabricantes de Stuttgart han transformado un
motor diesel en/de serie de Mercedes con cámara de precombustión 2‚2-1 ¿?. Fiat propone
como solución al problema de los niveles de emisión de gases de escape que va perfilándose
con respecto a los valores límite Euro III y Euro IV la decisión por la inyección directa
regulada de forma estequiométrica‚ que sería financiada tomando algunos porcentajes sobre la
reducción del consumo de combustible ¿????. Con este sistema se conseguiría al menos una
reducción del consumo del 7 al 10% ‚ para lo cual se produciría la combustión de la mezcla
homogénea emitiendo una cantidad extremamente mínima de gases de escape.
Fuente: Neue Zürcher Zeitung‚ Nr. 53/5 Marzo 1998
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