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El motor térmico de gasolina ganó la partida en los inicios del automóvil a la propulsión eléctrica con baterías.

Después ha habido varios intentos de retomar protagonismo el eléctrico coincidiendo con las crisis del petróleo, pero de momento no  ha  logrado hacerse un sitio como automóvil para todo tipo de uso (2015).

Mientras el motor térmico ha ido evolucionando para ir superando las sucesivas normas anticontaminación cada vez más severas.

En este artículo vamos a ver, tomando la curva de par como referencia de respuesta del motor, qué ofrecen las diferentes tecnologías de propulsión; eléctrica con baterías y con pila de combustible de hidrógeno, térmica con distribución de fase variable y motor sin árbol de levas (con válvulas electromagnéticas) “cam less”.

Curva de par del motor eléctrico

La propulsión eléctrica, como se ha anunciado, se va a explicar con dos posibles alimentaciones, baterías de propulsión y pila de combustible de hidrógeno, y lo hacemos con la colaboración de la siguiente animación:

  • Con baterías de propulsión:
    • Al acelerar la batería da toda la electricidad que sea necesaria desde el primer momento, la curva de par resultante es prácticamente plana
    • La respuesta al acelerador es excelente desde bajas RPM
    • No se necesita caja de cambios para multiplicar el par motor antes de llegar a las ruedas motrices
    • La autonomía es escasa para utilización en carretera, además se reduce sensiblemente con la velocidad
    • El tiempo de recarga es lento
  • Con pila de combustible de hidrógeno:
    • La electricidad se genera en la pila de combustible con el oxígeno del aire y el hidrógeno del depósito, emitiendo por el escape vapor de agua
    • Respuesta al acelerador excelente desde el inicio
    • Buena autonomía y repostaje rápido
    • No se necesita caja de cambios
    • Muy reducida oferta de automóviles e hidrogeneras para repostar

La pila de combustible de hidrógeno parece que será la tecnología de los automóviles en un futuro próximo, cuándo, depende más de la macroeconomía que de la técnica.

Curva de par del motor térmico (gasolina y diésel)

El motor térmico obtiene su energía de la combustión de la mezcla aire – combustible, que empuja al pistón y desde este, mediante la biela  y cigüeñal, se genera un movimiento circular que llega a las ruedas.

El oxígeno se toma del aire y el combustible del depósito.

Se han de traer ambos componentes al interior de los cilindros en la proporción idónea para una buena combustión.

Para lograrlo se requiere regular la entrada y salida del motor, y se hace mediante las válvulas de admisión y escape que son accionadas por el árbol de levas para la entrada y salida de los gases.

El sistema de alimentación (inyección) aporta el combustible (si es un motor de gasolina también interviene el sistema de encendido).

El motor que se va a utilizar en las imágenes tiene doble árbol de levas en culata o cabeza DOHC y se ha incluido la mariposa de gases en el colector de admisión, representando la actuación del acelerador (en el motor diésel la aceleración controla el caudal de inyección).

También se ve el inyector en el interior de la cámara de combustión, es inyección directa.

Al final de este artículo se citan otros temas del blog relacionados con el que nos ocupa por si te resultan de interés.

La animación siguiente nos presenta la curva de par del motor térmico, gasolina o diésel:

  • La curva de par va aumentando de valor con las RPM, y se obtiene el par máximo a unas RPM determinadas en la zona media del cuenta RPM
  • Al acelerar desde bajas RPM la respuesta del motor es escasa, para ir mejorando al subir el régimen
  • La respuesta es más efectiva si el motor tiene sobrealimentación
  • La autonomía es buena incluso para viajes largos en carretera y el repostaje es rápido
  • El hecho de que el par motor sea reducido a pocas RPM obliga a incorporar la caja de cambios que multiplica el par para poder iniciar la marcha o subir pendientes
  • En el motor diésel se logran menores consumos que en el de gasolina, pero para superar las normas anticontaminación, sobre todo desde 2006 (EURO 5) se requieren sistemas muy complejos y sensibles a la utilización urbana o recorridos cortos
  • El motor de gasolina es bastante más simple para adaptar la contaminación a las normas, el consumo de combustible es superior al diésel

Hemos visto la curva de par genérica de un motor térmico con el par muy localizado en una zona media de RPM.

La evolución ha logrado mejorar mucho el rendimiento del motor desde bajas RPM, como vamos a ver seguidamente, pero antes se explica la razón de que la curva de par tenga esta forma.

Los efectos de la resonancia en la curva de par

Los gases en los colectores se desplazan a vertiginosas velocidades, y al abrir y cerrar las válvulas se producen fuertes vaivenes que provocan ondas de presión.

Al estar entrando los gases en admisión rebotan al cerrar la válvula y quieren retroceder, pero el resto de gases en el colector lo impiden produciéndose otro rebote hacia el motor, y así sucesivamente.

En escape sucede algo similar.

Estas ondas de presión es lo que se denomina resonancia.

La animación que sigue nos va a ayudar a entender porque el par va aumentando desde bajas RPM y desciende de nuevo al llegar a la zona media de RPM, la razón es la resonancia:

  • El fabricante del motor puede decidir a qué RPM conviene que coincida la resonancia con las aperturas de las válvulas; en admisión se abriría la válvula cuando rebotan los gases de admisión hacia el motor logrando más llenado, y en escape coincidiría la apertura de su válvula cuando los gases de escape rebotan hacia el exterior, lo que favorece el vaciado de gases quemados
  • Cómo las RPM más utilizadas habitualmente son las medias, es a este régimen cuando coincide la resonancia por diseño
  • Es entonces a medias RPM cuando se mejora el llenado logrando el par máximo
  • En este motor al funcionar a bajas RPM la resonancia no coincide con las aperturas de válvulas, perdiendo parte del llenado, deberían abrir las válvulas más tarde
  • Lo mismo sucede a altas RPM, en este caso deberían abrir las válvulas antes

Curva de par del motor térmico con distribución de fase variable

Si se lograse adaptar las secuencias de actuación de las válvulas para que coincidiese con la resonancia a bajas, medias y altas RPM, se contaría con el llenado y vaciado de gases adicional, es lo que vemos en la siguiente animación que representa la curva de par genérica de un motor térmico de gasolina o diésel con esta tecnología:

  • El par motor tiene forma plana en un amplio margen de RPM
  • La respuesta al acelerador es más progresiva desde bajas RPM
  • La autonomía y repostaje son adecuados para todo tipo de uso, ya se comentó
  • La caja de cambios puede tener desarrollos más largos (más km/h a las mismas RPM), con menor consumo y contaminación
  • Se mantienen las particularidades de anticontaminación y consumo; ventaja para el gasolina en anticontaminación y desventaja en consumo y a la inversa en el diésel

La tecnología que permite adaptar la actuación de las válvulas a la resonancia es la distribución de fase variable DFV, y se explica a continuación resumidamente.

Adaptación de la actuación de las válvulas a la resonancia

Con la animación que vemos a continuación se explica el concepto de la distribución de fase variable DFV, que permite adaptar la actuación de las válvulas a la resonancia:

  • Los árboles de levas pueden desplazarse cierto ángulo durante el giro de sus respectivos piñones de mando
  • Si está girado el árbol de levas en sentido contrario la rotación del piñón se abrirán más tarde las válvulas, coincidiendo con la resonancia a bajas RPM
  • Si está el árbol de levas girado en el mismo sentido de rotación del piñón se abrirán antes las válvulas, y coincidirá con la resonancia a altas RPM
  • Los arboles de levas se pueden desplazar angularmente cierto ángulo de giro con relación a sus piñones por acción de la presión de aceite
  • Se ha representado didácticamente así; en cada árbol de levas una guía se puede desplazar rotacionalmente por el interior de una muesca, que permite un valor angular entre el máximo atraso y adelanto de apertura de válvulas
  • El control de la presión de aceite que determina con precisión la posición angular de cada árbol de levas con relación a su piñón, es electrónico
  • De esta forma se logra que la actuación de las válvulas coincida con la resonancia, que favorece el llenado y vaciado de gases, en un amplio margen de RPM

Los primeros motores que equiparon la DFV lo hacían solamente en admisión y por fases, no de forma continua.

Con la evolución de esta tecnología se aplica en admisión y escape y actúa de forma continua desde el máximo atraso angular al mayor adelanto.

En la imagen se ve la DFV en admisión y escape. La DFV ha sido un complemento para compensar la falta de par a bajas/medias RPM de los motores multiválvulas, en algún artículo tocaré este tema.

Curva de par del motor sin árbol de levas térmico y con válvulas electromagnéticas “cam less”

Desde hace muchos años se ha intentado dar un paso definitivo en el control de la actuación de las válvulas, consiste en prescindir del árbol de levas y que se abran y cierren con control totalmente electrónico.

De esta forma se podría adaptar las actuaciones de las válvulas a todas las condiciones de circulación con los mejores resultados de un sistema con componentes mecánicos.

Vemos en la siguiente animación como sería este motor con una de las posibles tecnologías para su funcionamiento:

  • La curva de par que se obtendría sería muy similar a la que se ve en la imagen, en la que se parecían las variaciones inducidas por el control electrónico para lograr que las válvulas mecánicas sigan sus órdenes con la mayor fidelidad posible
  • Cada eje o cola de válvula está en el interior de una bobina electromagnética doble
  • Las bobinas están controladas electrónicamente
  • Para abrir la bobina inferior recibe señal eléctrica actuando como un electroimán atrayendo a la válvula hacia abajo
  • Para cerrar a la inversa
  • La respuesta al acelerador sería la mejor posible en un motor térmico
  • Parece que la potencia eléctrica que requiere este sistema necesita de 48 voltios

Se han hecho y se siguen haciendo investigaciones sobre esta tecnología.

Parece que los costes relacionados con los beneficios que aportan al motor de momento no han llegado a hacer interesante su aplicación (2015).

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