18 feb. 2013

MOTORES DIESEL IV

...Continuación posts anteriores.

A diferencia de los motores de gasolina, donde todavía están pasando cosas interesantes, en los motores diésel llevamos 25 años sin grandes revoluciones.

¿Por que todos los motores diésel son relativamente parecidos?

La respuesta está en la inyección directa. Pero veamos un poco de historia. Todo empezó en 1989 cuando Audi presentó el primer motor turbocomprimido de inyección directa, el primer 2.5TDI:


Este motor mejoró tan increíblemente el rendimiento, que aun hoy en día los mejores motores diésel tienen rendimientos similares a este motor. Estas son sus principales características:

Número de cilindros 5 - En línea
Distribución 2 válvulas por cilindro
Potencia máxima 88KW a 4250rpm
Par máximo 265Nm a 2250rpm
Cilindrada 2.461cc
Consumo específico 198g/(kW·h)
rendimiento 42%
Relación de compresión 20,5
Alimentación Turbocompresor. Inyección
directa de alta presión hasta
900bar, control electrónico.1
NOTA 1: en la actualidad cualquier motor tiene control electrónico e inyección de alta presión, pero en aquel momento era novedoso.

Curva de par y potencia:


NOTA: datos obtenidos de Audi.

El primer coche donde se instaló fue el Audi 100. Le sacaba tanta ventaja a la competencia que durante un tiempo este coche de casi 5 metros de largo con este motor demasiado grande consiguió batir todo tipo de récords de consumo. Obviamente, en cuanto Volkswagen sacó motores TDI de 1,9 litros, y los montó en coches pequeños como el Golf, los consumos fueron mejorados. La evolución en términos de consumo terminó hace 10 años en el Audi A2 que presenté en este post.

En realidad lo que hizo Audi fue adaptar a un motor de coche la tecnología típica de motores grandes, como por ejemplo los de los camiones. Hasta ese momento los motores diésel de coche eran de inyección indirecta (típicamente con precámara), en cambio este motor incorporó la inyección directa. Una vez se elige la inyección directa aparecen dos características típicas de todos los motores actuales: presión de inyección muy elevada (en la actualidad hasta el entorno de 2000bar), y régimen potencia máxima típicamente entre 3800rpm y 4200rpm, como mucho algunos motores llegan a las 4500rpm.

Normalmente las mejoras relevantes que encontraremos en un motor moderno son:
  • 4 válvulas por cilindro. Lo que mejora el rendimiento y la potencia, especialmente a régimen alto.

  • Un motor más elástico, es decir con una curva de par más plana. Es especialmente importante que el turbo sea de geometría variable, para que la turbina funcione razonablemente bien en diferentes condiciones. En los motores más caros se va un paso más allá y se instalan dos turbinas/compresores, de manera que se cubren mejor todas las condiciones de funcionamiento del motor.

Turbo geometría variable. Gentileza Volvo.


Turbo con 2 etapas en paralelo. Gentileza Mercedes Benz.
  • Un turbo con mayor relación de compresión, lo que se traduce típicamente en los siguientes 3 puntos:
    • Una potencia específica (KW por litro de cilindrada) mayor.
    • Una relación de compresión geométrica del motor menor.
    • Un cambiador de calor para refrigerar el aire en la salida del compresor (un intercooler).
Como veremos más adelante un turbocompresor con mayor relación de compresión obliga a un diseño más cuidadoso y complejo para conseguir mantener un elevado rendimiento del motor. Un ejemplo es la turbina de doble entrada. Por la relevancia que tiene el turbocompresor le dedicaré una serie de posts específicos.
Además, un coche actual debe llevar elementos que reduzcan la contaminación, aunque no ayuden a reducir el consumo. Los contaminantes típicos de un motor diésel son los óxidos de nitrógeno y las partículas.

Veámoslo con un ejemplo de Renault, el motor dCi130 que se comercializa en estos momentos:
NOTA: en realidad tampoco importan mucho la marca, prácticamente cualquier fabricante comercializa algún turbodiésel eficiente. El motivo de elegir este en particular es que Renault fabrica algunos de los coches de precio razonable que menos consumen.

Potencia máxima 96KW a 4000rpm
Par máximo 320Nm a 1750rpm
Número de cilindros 4 - En línea
Cilindrada 1598cm3
Relación de compresión 15,4
Distribución 4 válvulas por cilindro
Alimentación Inyección directa por conducto común.
Admisión Variable.
Turbo. Geometría variable. Intercooler.
NOTA: datos obtenidos en Km77.

En este motor además tenemos un refinamiento adicional, la admisión variable.

Continuará...

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