Análisis de un motor Autmovilístico

Componentes del automóvil. Motores de gasolina. Relación de compresión y rendimiento térmico. Evolución histórica, funcionamiento y características. Equipos auxiliares. Coches

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INTRODUCCIÓN

Uno de los logros de la marca automovilística sueca SAAB en los últimos años, ha sido la invención del Motor SVC (Saab variable compression), cuya principal característica reside en la modificación de la relación de compresión en régimen de marcha. La complejidad de desarrollo del proyecto ha suscitado un gran interés en el mundo de la automoción debido a la dificultad de la operación. Es por ello que este trabajo tiene como objetivo tratar de hacer una introducción a este prototipo de motor intentando explicar los motivos que han llevado a Saab a investigar la compresión variable y desarrollando en la medida de lo posible parte del trabajo realizado por Saab.

RELACIÓN DE COMPRESIÓN

La relación de compresión de un motor se obtiene como el cociente de volúmenes entre el PMI (pto. Muerto inferior) y el PMS (pto. Muerto superior).

El volumen cuando el pistón se encuentra en el PMI viene definido por el volumen que despeja el mismo pistón al descender del PMS al PMI (es decir, el volumen de gases que entran en el cilindro) más el volumen de la cámara de combustión en si.

Y por otro lado el volumen cuando el pistón se coloca en el PMS viene definido por la cámara de combustión nada más.

Tomando estos datos tenemos que la relación de compresión se define como:

Relación de compresión

Normalmente el dato que podemos hallar fácilmente es el de el volumen de gases absorbido por el cilindro (el rayado de color azul en el dibujo) sabiendo la carrera y el diámetro del cilindro en cuestión. Sin embargo el valor de la cámara de combustión no es un valor que proporcionen los fabricantes salvo en manuales técnicos.

Como nota indicaremos que el valor del volumen que desciende o sube el pistón (cilindrada unitaria) es:

Siendo c el valor de la carrera.

De esto podemos sacar como conclusión que la relación de compresión es un parámetro geométrico que por su naturaleza resulta muy difícil de variar. De ahí el merito de Saab.

La relación de compresión es un parámetro que varía bastante según se trate de un motor gasolina o de un motor diesel. Esto es debido a que el diesel basa su “autoignición” en un aumento considerable de la presión mientras que los motores gasolina basan su inflamación en la aplicación en un momento dado de una cantidad de energía que active el proceso por lo que no precisan un aumento tan grande de presión.

Por lógica los motores diesel tienen una relación de compresión más alta que la de los motores gasolina pudiendo fácilmente duplicar dicho valor.

Por otro lado un motor con una relación de compresión mayor que otro tendrá unos esfuerzos adicionales debido al esfuerzo de comprimir más las cargas, por ello, estos motores deben ir más reforzados tanto en culata como en bielas, cigüeñales, muñequillas, camisas...

Además estos motores tendrán una posibilidad mayor de tener fugas entre segmentos y cilindros.

Como nota indicamos que en los motores gasolina estos valores rondan entre 8:1 a 12:1 (es decir que el volumen mínimo es 12 veces menor que el volumen máximo), dependiendo de si es un motor sobrealimentado o atmosférico.

En los diesel estos valores son mas alto, con un rango aproximado de 14:1 a 23:1.

Tener una relación de compresión alta o baja puede ser interesante y beneficioso, motivo por el cual Saab decidió inventar un motor que pudiese “exprimir” las buenas cualidades de los dos estados.

VIRTUDES Y DEFECTOS DE UNA RELACIÓN DE COMPRESIÓN ALTA:

Se hará un análisis concreto de los motores gasolina ya que en los motores diesel, el aumento de la relación de compresión siempre resulta beneficioso (salvo que el aumento provoque perdidas por la segmentadura del motor).

Una relación elevada de compresión, a grandes rasgos, hará que obtengamos una mayor eficacia en el consumo de combustible, y por tanto un mayor rendimiento térmico.

En el ciclo teórico, el rendimiento térmico viene definido por:

donde r es la relación de compresión y  es el poder calorífico cuyo valor para el aire es 1.4.

(NOTA: Se ha supuesto la relación de volumen igual a 1)

Debido al gráfico podríamos concluir que la situación óptima sería tener una relación de compresión lo más elevada posible. Pero no es así, porque:

Cuando tenemos una r elevada, se aumenta la posibilidad del “picado de bielas” por preignición de la mezcla antes de la situación ideal (antes del PMS) por exceso de presión en la mezcla. Con lo cual se producen unas violentas fuerzas en dirección contraria al movimiento natural del pistón que vienen acompañados de un sonido de “cascabeleo”.

El picado de bielas o knocking, además de generar unas fuerzas en contra del movimiento provoca fuertes esfuerzos torsionales en el cigüeñal que incluso pueden finalizar el la rotura de la cabeza del pistón, muñequillas o de otros elementos mecánicos.

Actualmente, numerosos, modelos pueden controlar este fenómeno hasta cierto punto, adelantando o retrasando el avance del encendido. La detonación es detectada por unos acelerómetros situados en el motor tarados para la frecuencia de las detonaciones, que por suerte es muy bien conocida.

Si además, empleamos sobrealimentación para obtener potencia, pues el problema se magnifica al aumentar la presión en el cilindro. Por esta razón, es normal ver relaciones de compresión bajas en motores sobrealimentados, ya que a cargas parciales no habría quizás problemas, pero si a cargas totales.

La r máxima que soportará un motor vendrá definido en situaciones de carga máxima, es decir a plenos gases ya que es donde se produce la máxima presión en la cámara.

VIRTUDES Y DEFECTOS DE UNA RELACIÓN DE COMPRESIÓN BAJA:

Precisamente sus ventajas vienen de las desventajas de una alta compresión, es decir, si con una r alta no se podía colocar sobrealimentación con una r baja sí, debido a que ya no existe tanto peligro de detonación.

Y además podremos tener el motor a cargas máximas sin que se produzca el tan temido Knocking, actualmente controlado por la unidad de control.

Sin embargo no podremos esperar grandes rendimientos con bajos consumos ni bajos contaminantes, ya que disminuye el rendimiento térmico del motor.

Es por ello que se debe conseguir un equilibrio a la hora de diseñar un motor, según se requiera potencia (sin que aparezca el “picado”)o se precisen bajos consumos y contaminantes.

INFLUENCIA DEL OCTANAJE DEL COMBUSTIBLE:

El índice de octano de la gasolina, indica la capacidad o facilidad de dicho combustible de detonar.

A mayor índice octano, más difícil será hacerlo detonar.

Es por ello, que cuando tengamos motores con alta relación de compresión, o motores con relación de compresión relativamente baja muy sobrealimentados, será preferible recurrir a combustibles de alto índice octano porque de lo contrario se producirá Knocking con facilidad.

PREMISAS:

Como podemos ver, los dos extremos tienen ventajas y desventajas que por suerte encajan. Pues bien, Saab ha sacado partido de los beneficios de cada relación de compresión.

Creando un motor que ha bajas cargas y vueltas se comporte como un motor puramente urbano, es decir buscando economía de consumos y como un motor muy prestacional a altas cargas y vueltas ayudado de un compresor mecánico (que no turbocompresor, ya se verá más adelante por qué).

Estas son las premisas:

  • Bajos regímenes:

r altos ! bajo consumo y rendimiento

  • Altos regímenes:

r bajos + compresor ! prestaciones

De esta manera Saab tiene cubierto todos los campos de compresión con un rendimiento sensacional.

NOTA: Este motor ha sido concebido para combustibles de gasolina, debido a que con motores diesel no interesa en absoluto tener relaciones de compresión bajas. En cualquier caso este experimento hace que se pueda aplicar sobre combustibles alternativos también.

RENDIMIENTO TÉRMICO vs RELACIÓN DE COMPRESIÓN:

Como se había comentado anteriormente, siempre nos convendrá movernos por zonas de compresión alta para obtener mejor rendimiento intentando no caer en la “detonación”.

ANTIGUO TRUCAJE DE LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN

Como veremos la variación de la relación de compresión no es un tema nuevo, antiguamente se realizaba sobretodo a nivel de competición pero de manera permanente, es decir no se podía modificar durante el régimen de marcha.

Existían 3 procedimientos habituales:

  • El primer método era rebajar la culata mediante mecanizado de la misma hasta alcanzar el volumen deseado.

  • El segundo consistía en montar émbolos de cabeza más alta teniendo cuidado de que la cabeza no interfiera con ninguno de los elementos del bloque, adaptando la forma de la cámara de combustión.

  • La tercera y última opción es la de rebajar la parte superior del bloque, de manera que la culata se acerque más a la cabeza de los émbolos.

Cualquiera de estos tres procedimientos podían presentarse individualmente o bien, combinados.

Por ejemplo esta última técnica la empleaba Honda en Fórmula 1 hace ya algunos años colocando unas plaquitas, similares a las camisas, entre el bloque y la culata y según necesitase más compresión lo llevaban al taller y eliminaban una plaquita, sin necesidad de cambiar de bloque.

Por suerte Saab ha dispuesto un sistema con el que variar la compresión sin necesidad de cambiar el motor ni pasar por el taller.

El AUTOR:

El autor del prototipo fue el ingeniero de Saab, Per Gillbrand, que admitió lo siguiente en una entrevista personal:

”la parte mecánica estaba suficientemente desarrollada hace tiempo, pero hasta ahora no teníamos los conocimientos de sobrealimentación y sobre todo, el control electrónico que requiere este motor”.

De hecho Saab no fue el primer descubridor de este motor que en realidad llevaba inventado desde principios de siglo por un cuasi-accidente gracias al ingeniero Richardo, el cual solo pretendía comprobar el rendimiento del motor en diferentes relaciones de compresión.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SVC:

Parte del motor bascula, o mejor dicho pivota sobre un eje en la parte izquierda del bloque (carter) moviendo toda la culata y el alojamiento de los pistones, los cilindros (culata integral), hasta un rango máximo de 4º.

Al pivotar y mover los cilindros, el movimiento del pistón no es del todo vertical, sino inclinado, pero que en cualquier caso la cinemática del conjunto biela-pistón, no deja de ser efectiva.

Por tanto podemos distinguir dos partes principales en el bloque motor:

    • La culata y los cilindros van ahora unidos formando una sola unidad (Dinámica).

    • Bloque (carter) que contiene el cigüeñal y sobre el que pivotan la primera parte (Estática).

Debemos tener en cuenta que no sólo se mueve la primera parte, sino también sus anejos, es decir: filtro, compresor, pipas,... es decir admisión completa y todo el sistema del escape rígido cercano al motor.

Por decirlo de otra manera, Saab ha construido un motor flexible.

Pero existe un movimiento relativo entre ambas partes, con lo que quedarán huecos en los lados del motor, entre el cilindro y el carter, no como en el típico motor rígido al que estamos acostumbrados, lo que provocaría que se saliese todo el aceite que circula por el bloque motor.

Esto se ha resuelto con un sello de empaque de hule de alta resistencia

Para obtener el movimiento del monobloque superior, Saab ha colocado un sistema hidráulico movido por un sistema de levas y bielas gobernado en todo momento por la unidad de control del motor, recordemos que el rango máximo de movilidad es de 4º.

La ley de accionamiento por parte de la unidad de control estará basada en el régimen, posición de apertura de la mariposa, sensores de detonación.

HISTORIA Y CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR:

Para poder llevar a la práctica el SVC, Gillbrand ha trabajado los últimos 10 años en el diseño de un motor de 5 cilindros de 1600 cm3, ayudado por un compresor mecánico e intercooler.

Los diseñadores de motores Saab comenzaron a pensar sobre el desarrollo de un motor de compresión variable allá en la década de los 80.
La primera patente fue presentada en el año1990.

El primer motor experimental que se construyó bajo el concepto tecnológico de la compresión variable tenía una cilindrada de dos litros y ofrecía un elevado par motor y potencia demostrando así que el concepto teórico era válido y que era posible el llevarlo a la práctica. Las pruebas actuales comenzaron con la segunda generación de prototipos de estos motores, a mitad de los años 90:

Gillbert anteriormente también trabajo con motores de otra configuración hasta llegar a la actual, destacando un motor de 6 cilindros con 1400 cm3 tan solo.

Con el fin de alcanzar la potencia teórica de estos motores, Saab se dirigió a la compañía Alemana FEV Motorentechnik en Aache para someterlos a un estudio en profundidad, era preciso confirmar que cumplían con los objetivos marcados.
Este estudio hizo posible realizar más avances y continuar con el desarrollo de este novedoso sistema.

Actualmente se trabaja con el motor 1600 cc de 5 cilindros en línea que rinde 225 cvs (165 kw) de potencia máxima a 6000 rpm con un par máximo de 305 Nm a 4000 rpm. Lo que quiere decir una potencia por litro de 150 cv/l y un par por litro de 191 Nm/l.

Es decir, con solo un motor de 1600 centímetros cúbicos es capaz de conseguir las prestaciones de un motor de 3000 cc con consumos un 30% más bajos y emisiones muy reducidas. Es por ello que su rendimiento es excepcional.

Este invento permite no sólo tener lo mejor de dos tipos de motores, sobrealimentados y atmosféricos, sino ir aún más lejos y llevar el valor de compresión hasta cifras que resultarían imposibles si el motor debiera trabajar siempre con ellas.

Cuando los requerimientos del motor sean altos, el bloque ascenderá hasta la relación de 8:1 y el compresor soplará al máximo para obtener las mejores prestaciones, solo a la altura de muy pocos vehículos deportivos.

Pero como normalmente las exigencias al motor no llegarán hasta la máxima potencia, es en ese momento cuando la culata integral (como la denomina Saab, desciende para obtener relaciones de 14:1 a la vez que el compresor empuja a valores mucho más bajos, obteniendo mejores rendimientos y economías de marcha.

En cuanto a la distribución, otro apartado interesante, es que el SVC, no impide en absoluto el empleo de la culata de 4 válvulas tradicional.

Respecto a las emisiones diremos que el CO, NOx y HC están dentro de las presentes normas de regulación de emisiones y posiblemente también en las futuras.

EQUIPOS AUXILIARES:

  • COMPRESOR MECÁNICO:

Saab ha dispuesto para su motor un compresor mecánico. Lo mas lógico, sería colocar un turbo-compresor debido al rendimiento que tiene frente al mecánico. Pero Saab precisaba una presión de soplado muy alta de aproximadamente 2,9 bares, cantidad que resultaba muy complicada de obtener por un turbo-compresor actual.

  • INTERCOOLER:

Debido al aumento tan exagerado de presión del compresor mecánico, es necesario colocar un postenfriador para reducir el aumento de temperatura del aire de admisión y con ello aumentar el rendimiento.

  • UNIDAD DE CONTROL:

La gestión del motor, hace que sea quizás el problema más significativo para el equipo de Gillbrand, debido a la dificultad de manejar tantos parámetros a la vez.

Para ello, se ha recurrido al Trionic System, unidad que ya montaban anteriormente los famosos motores turboalimentados de Saab desde 1991, pero con las lógicas reformas necesarias para el SVC.

  • SCC:

El SCC es otro de los avances de la marca Saab, que merece la pena nombrar porque el Motor Saab SVC no impide que dicho invento sea también montado en él.

El SCC Son las siglas de Control de la Combustión Saab, una combinación de la inyección directa de combustible en gasolina, de sincronización variable de válvula, y de distancia variable de la chispa que puede mejorar perceptiblemente la economía del combustible y reducir radicalmente emisiones, sin sacrificio en funcionamiento.

Desgraciadamente los sistemas de inyección directa gasolina que no son Saab, no obtienen el rendimiento deseado en los paises Europeos, debido principalmente a la calidad de nuestros combustibles. Dichas gasolinas contienen un elevado porcentaje de Azufres, que envenena a los catalizadores que llevan estos modelos.

Los envenenan porque trabajan con mezclas muy pobres (del orden de 40:1 a bajas cargas), emitiendo gran cantidad de SO2, lo que obliga al empleo de catalizadores muy sofisticados. Es ahí donde radica el problema, los derivados del azufre estropean dichos elementos tan sofisticados y caros, lo que hace inviable el proyecto.

Pero Saab, distinguiéndose del resto de fabricantes, ha concebido este motor de inyección directa manteniendo la mezcla estequiométrica, lo cual no solamente lo hace viable con los convertidores catalíticos de 3 vias convencionales, sino que también lo hace factible con las gasolinas actuales.

El SCC permite que solamente la cantidad deseada de aire fluya pasando por las válvulas, y llenando el resto del compartimiento de gases inertes de escape (carentes de oxígeno), excedentes del proceso de combustión anterior.

 

Aquí es donde entra el sistema de sincronización variable de válvulas. Este controla el flujo de gases de entrada y de escape, guardando la proporción de gases de escape en la mezcla por encima del 70 por ciento bajo condiciones de poca carga..

Una concentración tan alta de gases de escape requiere una chispa larga para encender la mezcla sin que se apague, así el SCC tiene un sistema de gran energía de ignición con separación variable de los electrodos de la bujía .

 

Cuando la carga es baja la separación es 3,5 milímetros, pero cuando la carga es alta, la chispa se enciende más tarde y la densidad del gas es demasiado grande para permitirla cruzar tal distancia, entonces la chispa se da entre los electrodos con una distancia de separación de 10 milímetros.

Tanta cantidad de elementos en la cámara de combustión, un espacio que ya de por si es pequeño, haría de este, un sistema complejo. Para ello el SCC monta la bujía y el inyector en el mismo aparato.

CONCLUSIONES

No cabe duda de que el motor SVC puede ser el futuro de la automoción en motores gasolina, pero también existen dudas respecto a su fiabilidad mecánica.

El principal problema que encontramos a primera vista y que el propio Gillbrand admite, es el mecanismo encargado de variar la relación de compresión. El empaque de Hule al que nos referimos anteriormente, está sometido a una alta presión en el interior del bloque, pero además las cargas térmicas que deberá soportar serán también muy altas, por parte del aceite que circula por el interior del bloque estático y que se transmite por conducción por las paredes del motor. Si a todo lo anterior le añadimos que existirá un movimiento relativo cada cierto tiempo, vemos que nos encontramos con un problema tremendo de resistencia a fatiga.

Por otro lado las partes mecánicas que mueven el mecanismo, también se verán sometidas a muy altas presiones, que seguro comprometerán la fiabilidad del conjunto.

No cabe duda de que cuando Saab consiga poner remedio a estos problemas nos encontraremos con un motor magnifico que quizás no esté tan lejos en el tiempo.

En cualquier caso, tanto si este avance llega a los motores de calle, como si no llega, no cabe duda de que se abre una nueva vía de investigación y desarrollo para la permanencia de los motores de gasolina en un futuro.

BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN:

  • Manual de Automóviles: Arias Paz. Editoriales CIE

  • Trucaje de Motores: Ed. Ceac (1965)

  • Diferentes apuntes de la carrera.

Diferentes páginas web y foros de Automoción:

  • Automotive Engineering International Online Tech Briefs, May 2000, Page 3

  • Automotriz

  • TSN Press Saab Variable Compression Engine