Revisión del estado actual de los motores de combustión interna alternativos de inyección directa

i Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Revisión del Estado Actual de los Motores de Combustión Interna Alternativos de Inyección Directa Autor: Gonzalo Gago Bachiller Tutor: Miguel Torres García Dep. de Ingeniería Energética Grupo de Máquinas y Motores Térmicos Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 ii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Revisión del Estado Actual de los Motores de Combustión Interna Alternativos de Inyección Directa Autor: Gonzalo Gago Bachiller Tutor: Miguel Torres García Dep. de Ingeniería Energética Grupo de Máquinas y Motores Térmico Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 iii Trabajo Fin de Grado: Revisión del Estado Actual de los Motores de Combustión Interna Alternativos de Inyección Directa Autor: Gonzalo Gago Bachiller Tutor: Miguel Torres García El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal iv A mi familia A mis amigos A mi tutor v AGRADECIMIENTOS Me gustaría dar las gracias a mi familia, por poner todos los medios para que esto fuera posible, además del apoyo constante e incondicional. También a todos mis amigos y compañeros de viaje durante estos últimos años en Sevilla y Valencia, con ellos, todo ha sido más facil. Por último agradecer la formación recibida de todos mis profesores a lo largo de estos últimos años. Gonzalo Gago Bachiller Sevilla, 2017 vi RESUMEN Ya desde la temprana aparición del motor de combustión interna alternativo, el sector automovilístico se ha encontrado muy ligado a este. Su mejora a lo largo de los años, han producido un desarrollo mundial en diversos sectores, y con ello una expansión de su uso. La gran demanda automovilítica desarrollada en los últimos 50 años, ha provocado un aumento en las exigencias medioambientales. Esto ha traido consigo numerosas propuestas de desarrollo en los motores, para adaptarse a las diferentes normativas y exigencias requeridas. Cabe destacar el gran impulso de la inyección directa de combustible, que ha traido consigo numerosas mejoras en diferentes partes y aspectos del motor. En este texto, presentado a continuación, se describirán los diferentes tipos de motores, tanto diesel como gasolina, su funcionamiento, su clasificación en cuanto a sistemas de inyección, las mejoras desarrolladas y aplicadas en estos durante los últimos años y, por último, los sistemas de tratamiento de gases de escape necesarios para alcanzar las restricciones de la normativa. vii ABSTRACT Since the early appearance of the internal combustion engine, the automobile sector has been closely linked to this. Its improvement over the years, have produced a global development in various sectors, and with it an expansion of its use. The high demand for automotive industry developed in the past 50 years, has led to an increase in environmental requirements. This has brought many proposals for development in the engines, to adapt to the different legislation and requirements. We would like to highlight the large momentum of the direct fuel injection, which has brought many improvements in different parts and aspects of the engine. In this text, presented below, describe the different types of engines, with both diesel and petrol, its operation, its classification in terms of injection systems, the improvements developed and applied in these over the last few years and, finally, the systems of treatment of exhaust gases necessary to meet the restrictions of the regulations. viii ÍNDICE Agradecimientos v Resumen vi Abstract vii Índice viii Indice de Tablas x Índice de Ilustraciones xi 1 Introducción 1 1.1 Historia del motor de combustión interna alternativo 2 2 Tipología en los MCIA 4 3 La Inyección de Combustible 8 3.1 El carburador 9 3.2 Clasificación de los sistemas de inyección 10 4 la Inyección Directa en Mec 15 4.1 Caracterización del MEC 15 4.2 Desarrollo de la inyección directa en MEC 16 4.3 Clasificación de los sistemas de inyección directa en MEC 17 5 La Inyección Directa en Mep 19 5.1 Resurgimiento e importancia en la actualidad 19 5.2 Caracterización del MEP de inyección directa 22 5.3 Relación aire-combustible y su influencia 23 5.4 Procesos de combustión 25 5.5 Modos de operación 25 5.6 Sistemas de combustión 28 5.6.1 Sistemas de combustión de primera generación 28 5.6.2 Sistemas de combustión de segunda generación 29 5.7 Ventajas e inconvenientes inyección directa frente a indirecta 30 6 Tecnologías Aplicadas a los Motores de la Actualidad 33 6.1 Inyección directa con mezcla pobre (LBDI) 34 6.1.1 Principio de funcionamiento 34 6.1.2 Ventajas e inconvenientes 35 6.2 Distribución de válvulas variable 35 6.3 Combustión por difusión a baja temperatura (LTC) 36 6.3.1 Combustión convencional en MEC 37 6.3.2 Combustión diesel a baja temperatura no simultánea a la inyección 38 6.3.3 Combustión diesel a baja temperatura simultánea a la inyección 39 6.4 HCCI/CAI 39 6.4.1 Principio de funcionamiento 40 6.4.2 Ventajas e inconvenientes 41 6.4.3 Control HCCI 42 6.5 Recirculación de gases de escape (EGR) 43 6.5.1 Características del sistema 44 ix 6.5.2 Tipos de circuitos EGR 45 6.6 Sobrealimentación en MCIA 49 6.6.1 Tipos de sobrealimentación 49 6.7 Motores de gas natural de inyección directa 56 6.7.1 Desarrollo del motor 56 6.7.2 Relación de compresión 57 6.7.3 Almacenamiento y suministro del combustible 57 6.7.4 Encendido del combustible 58 6.7.5 Combustión 59 6.7.6 Emisiones 59 6.7.7 Ventajas e inconvenientes 59 6.8 Aplicación de biocombustibles 60 6.8.1 Biodiesel 61 6.8.2 Bioetanol 61 6.8.3 Ventajas e inconvenientes 61 7 Control de Emisiones 63 7.1 Emisiones características en un MCIA 63 7.2 Sistemas de reducción de emisiones 65 7.2.1 Sistemas empleados en MEP 65 7.2.2 Sistemas empleados en MEC 68 7.3 Legislación 69 8 El MCIA en el Mercado Automovilístico Actual 71 8.1 Aparición del Downsizing 71 8.2 Desarrollo y futuro del HCCI / CAI 75 8.3 Desarrollo y futuro del LBDI 75 8.4 El motor de gas natural en la automoción 77 Conclusiones 80 Bibliografía 81 4 2 TIPOLOGÍA EN LOS MCIA A continuación, se realizará una clasificación de los motores de combustión interna alternativos, según los aspectos más significativos:  Según el proceso de ignición o encendido: motores de encendido provocado o por chispa (MEP o MECH) y motores de encendido por compresión (MEC). -En los MEP, normalmente se ha venido disponiendo de una mezcla de aire y combustible prácticamente homogénea y el proceso de combustión se realiza gracias a la chispa de una bujía, dando paso a la formación y propagación de un frente de llama en la cámara de combustión. -En los MEC, se admite gran cantidad de un fluido, que normalmente es aire, sometido a una fuerte presión de forma que se garantiza la auto inflamación del combustible cuando este entre en cantidades menores normalmente al final del proceso de compresión.  Según el ciclo termodinámico que se realice: ciclo de cuatro tiempos o ciclo de dos tiempos. -El ciclo de cuatro tiempos se llama así, porque el motor requiere de cuatro carreras del émbolo, es decir, dos revoluciones del motor, para realizar el ciclo termodinámico completo, dividido en carrera de admisión, carrera de compresión, carrera de expansión (explosión) y carrera de escape. En estos motores, la renovación de la carga se realiza a través de la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Ilustración 2-1: Ciclo de 4T en un MCIA -En el ciclo de dos tiempos, ocurren las mismas cuatro fases, pero en sólo dos carreras del émbolo, es decir, en una sola revolución del cigüeñal. La renovación de la carga se realiza por el llamado proceso de "barrido", que consiste en desplazar la mezcla de los gases de la combustión previa, sin necesidad de válvulas, ya que es el propio émbolo el que con su movimiento descubre las lumbreras de admisión y escape regulando el proceso. 5 Ilustración 2-2: Ciclo de 2T en un MCIA  Según el tipo de refrigeración en el motor: refrigeración por agua o por aire. -Comúnmente los automóviles están refrigerados por agua, e incorporan un ventilador que se activa automáticamente cuando el coche está a ralentí o parado. La refrigeración por aire necesita de aletas en la superficie del motor además de una geometría poco compacta y más simple mecánicamente. En la refrigeración por agua , el motor cede calor al líquido refrigerante a través de un sistema de refrigeración. En algunos casos también es necesario la refrigeración del propio aceite. Ilustración 2-3: Motor refrigerado por aire mediante aletas 6 Ilustración 2-4:Sistema de refrigeración por agua en un MCIA  Según la disposición constructiva, las formas más comunes de disposición de cilindro son en línea, en V, opuestos(boxer) y en estrella(radial). El número de cilindros vendrá determinado por la potencia que requiera el motor. Ilustración 2-5:Distribuciones constructivas características de los cilindros de un MCIA  Según la presión de admisión: atmosféricos o sobrealimentados. -Los motores atmosféricos son aquellos en los que el aire entra al motor aproximadamente a la presión atmosférica mientras que en los sobrealimentados el aire entra a una presión mayor a la atmosférica, gracias al uso de un compresor. En la actualidad, la mayoría de motores están sobrealimentados, para poder así reducir el tamaño del motor entre otras ventajas. 7 Ilustración 2-6:Aspiración natural (izquierda), sobrealimentación (derecha) 8 3 LA INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE La principal misión de la inyección de combustible es, introducir el combustible, a través de un carburador o inyector, a la cámara de combustión, de forma que este pueda ser usado en el proceso de generación de energía. El desarrollo de la inyección ha venido ligado con los inicios de los motores de combustión interna alternativos. Aunque se realizaron diversas pruebas a finales del siglo XIX, sus inicios en el desarrollo en la práctica se remontan a motores estacionarios. La aviación fue la primera en usar la inyección de combustible en sus motores. El motor de cuatro tiempos y cuatro cilindros del Flyer I construido por los hermanos Wright en 1903 utilizaba un sistema de inyección de combustible de baja presión en la cámara de combustión. En 1922, el técnico alemán Robert Bosh decidió desarrollar su propio sistema de inyección para motores Diesel. En 1925 consiguió culminar su proyecto con la bomba de inyección en línea y en 1927 comenzó la fabricación en serie de ésta. La siguiente tabla muestra la línea temporal seguida en el desarrollo de los sistemas inyección en diesel hasta la actualidad: 1927: Primera bomba inyectora en línea de serie. 1962: Primera bomba inyectora distribuidora de pistón axial EP-VM. 1986: Primera bomba inyectora distribuidora de pistón axial con regulación electrónica 1994: Primer sistema de unidad inyectora (UIS) para vehículos utilitarios. 1995: Primer sistema de bomba unitaria (UPS).v 1996: Primera bomba inyectora distribuidora de pistón radial 1997: Primer sistema de inyección de presión modulada Common Rail. 1ª generación con presión de inyección de 1350 bar. 1998:Primer sistema de Unidad Inyectora (UIS) para automóviles. 2001: 2ª generación del sistema Common Rail con presión de inyección de 1600 bar. 2002: 2ª generación del sistema Common Rail mejorada; menor consumo y mejor desempeño. 2003: 3ª generación del sistema Common Rail, con inyectores piezo en línea, 1600 bar de presión de inyección y un 20% menos de emisiones. 2004: 1ª generación dNOx para Euro 4. 2005: Inyector Piezo Common Rail. 3ª generación con presión de inyección de 1800 bar. 2006: Bomba CP4 Common Rail con presión de inyección de 1800 bar. 2ª generación dNOx para Euro 5 2008: 4ª generación del Common Rail con presión de inyección de hasta 2100 bar. 2011: Primeros vehículos en cumplir Euro 6 con la tecnología "Clean Diesel". Tabla 1:Evolución de los sistemas de inyección en MEC Tras la Primera y Segunda Guerra Mundial, y tras años de especulación sobre el uso de inyectores o carburador, en el año 1952 se inicia la experimentación de la inyección de combustible en un motor de cuatro tiempos de automoción: el motor del Mercedes 300SL. 9 Ilustración 3-1:Mercedes 300SL A partir de aquí se produce un desarrollo constante de la inyección, donde cada vez los inyectores alcanzan unas mayores presiones de inyección, necesarias para el ahorro de combustible y una combustión más eficiente. Este sistema de alimentación de los motores de combustión interna, comienza a reemplazar casi por completo a todos los automóviles europeos con carburador a partir de 1990. Esto es debido a la obligación de reducir las emisiones contaminantes y a una mayor eficiencia por parte de los inyectores. Las mejoras en el sistema de inyección han estado ligadas al avance en el desarrollo de los MEC, ya que básicamente, su incremento en potencia y rendimiento ha venido dado por el aumento de la presión de inyección. 3.1 El carburador Sistema en desuso. Sus mayores inconvenientes proceden de su inexactitud en el control de la regulación y dosificación de la mezcla, lo cual provoca un mayor consumo de combustible y una mayor emisión de partículas contaminantes, para una misma potencia suministrada por el motor, respecto a otro alimentado con un sistema de inyección. Su desaparición como sistema de alimentación en la automoción ,se debió sobre todo a la legislación anticontaminación, que obligó al empleo de catalizadores para depurar los gases residuales. Estos precisan de un control estricto de la dosificación para evitar su deterioro. En motocicletas se sigue empleando, aunque cada vez también menos. A pesar de los inconvenientes citados, se trata de un sistema de gran precisión, con gran complejidad interna, y teniendo en cuenta sus limitaciones, con unos resultados sorprendentes. No obstante, siempre es superado por cualquier sistema de inyección. En lo que aún no ha sido superado es en sencillez como conjunto, y en su nula dependencia del empleo de la corriente eléctrica y de la electrónica. Es un sistema puramente mecánico. 10 Ilustración 3-2:Esquema y curvas características del carburador 3.2 Clasificación de los sistemas de inyección La función del sistema de inyección consiste en aportar el combustible al colector de admisión o a la propia cámara de combustión, para que al unirse al aire, se forme la mezcla de aire-combustible. Esta aportación se lleva a cabo a través de los inyectores. Se pueden realizar diferentes clasificaciones para los sistemas de inyección, que se detallan a continuación:  En función de su sistema de control: -Inyección mecánica: En la que todo el proceso se lleva a cabo sin intervención de la electrónica, de forma mecánica y con el empleo de una bomba de alimentación de tipo eléctrica. El aspecto que más diferencia a estos sistemas de inyección de los del tipo electrónico, es el sistema de apertura de los inyectores, que se efectúa de forma totalmente mecánica, debido a la propia presión del combustible que se inyecta. Estos sistemas, fabricados mayoritariamente por la firma Bosch, se denominan K-Jectronic aunque otras marcas han desarrollado sistemas similares. Se engloban dentro de los sistemas de aportación continua, dado que los inyectores están siempre abiertos mientras el motor está siempre en marcha. El aporte se lleva a cabo en el colector de admisión, catalogándose como un sistema de inyección indirecta. Dejaron de utilizarse a mediados de los años 80, debido a su poca implantación. -Inyección electromecánica: Es una evolución del sistema anterior, fabricado también por Bosch y recibe el nombre de KE Jectronic. Partiendo de su estructura de funcionamiento, el control de la dosificación se lleva a cabo de forma electrónica, alterando la presión del combustible en sus circuitos internos, mediante un actuador electromagnético, sin embargo la apertura de sus inyectores se realiza de forma mecánica. Es un sistema de aportación continua, como ocurre en el caso anterior, y por ello también un 11 sistema de inyección indirecta. En cuanto a su empleo en el mercado, fue similar al caso anterior, pero se prolongó unos años más. -Inyección electrónica: Al igual que la inyección electromecánica, el control de la dosificación está a cargo de una centralita electrónica que actúa sobre los inyectores. Además, la apertura de los inyectores se efectúa con electroimanes integrados en los mismos, cuya alimentación eléctrica está a cargo de la centralita. La aportación de combustible no es continua, se lleva a cabo en forma de intervalos. Actualmente los sistemas de inyección son de este tipo. Este tipo de sistema es usado tanto en inyección directa como en indirecta.  En función del modo de aportación del combustible: -Continua: Los inyectores están permanentemente abiertos, mientras el motor permanezca en marcha. -Intermitente: Los inyectores se abren a intervalos regulares, siendo el tiempo que permanecen abiertos, el factor con el que se regula la dosificación.  En función del número de inyectores: -Monopunto: Se emplea un solo inyector para todos los cilindros. Es un sistema que se popularizó en los modelos más económicos, cuando la obligatoriedad de empleo de catalizador, hizo que todos los motores tuviesen que disponer de inyección electrónica. Su principal ventaja es su sencillez y economía de fabricación. En la actualidad apenas se continúa con la fabricación de estos sistemas debido a la popularización masiva de los sistemas multipunto. Ilustración 3-3:Esquema del sistema monopunto 12 -Multipunto: Se emplea un inyector por cada cilindro. Es el sistema que se emplea en la actualidad y pueden dividirse en: -Simultáneos: Todos los inyectores se abren a la vez, una vez por cada vuelta de cigüeñal. Es el sistema empleado en las primeras inyecciones electrónicas llamado L-Jetronic. Es el sistema de inyección electrónica más sencillo. El rendimiento obtenido a bajo régimen es menor, ya que la válvula de admisión está abierta en un solo cilindro. Esto afecta negativamente a la vaporización y homogeneidad de la mezcla, por ello este sistema apenas es usado en los automóviles de la actualidad. -Secuenciales: En estos sistemas, el aporte de combustible se lleva a cabo de forma individual, es decir, cada inyector se abre sólo cuando el cilindro está realizando la carrera de admisión. La homogeneidad y vaporización del combustible es mucho mejor a bajo régimen, por ello es el sistema más usado actualmente en la automoción. Por otra parte, el suministro de combustible no sufre tantas alteraciones en su valor de presión, ya que los inyectores se abren de uno en uno. El único inconveniente es la mayor complejidad del sistema, precisando de sensores que determinen en qué fase está cada cilindro, pero esto actualmente no supone gran problema. -Semisecuencial: Es una combinación de los dos anteriores, donde los cilindros que se agrupan por parejas son aquellos los cuales están realizando simultáneamente sus carreras( no sus tiempos), de tal forma que por ejemplo, se abren a la vez los inyectores de los cilindros 1 y 4, y posteriormente, cuando se ha efectuado un giro de 180º, lo hacen los cilindros 2 y 3. La vaporización y homogeneidad en la mezcla está por encima de los sistemas simultáneos pero no de los secuenciales. A modo de ilustración , se representan los procesos de cada uno de ellos en la figura: Ilustración 3-4:Esquema del sistema multipunto 13 Ilustración 3-5:Procesos de inyección multipunto  En función del punto de aportación del combustible: -Inyección indirecta: El combustible se aporta en el colector de admisión, donde se mezcla con el aire. Este sistema fue el más usado para los motores gasolina desde finales de los años 80 hasta hace relativamente poco. Ilustración 3-6:Inyección directa (izquierda), inyección indirecta (derecha) -Inyección directa: El combustible se aporta directamente a la cámara de combustión, y es allí donde 20 Ilustración 5-2:Volkswagen Lupo 1.4 FSI El Grupo PSA introdujo su primer motor GDi (HPi) en el año 2000 en el Citroën C5 y en el Peugeot 406. Era un motor de 2.0l y 16 válvulas con 140hp( 104kW) y usaba el sistema procedente de Mitsubishi. En 2001, Ford introdujo su primer motor europeo con inyección directa llamado SCi (Smart Charge injection) para motores de encendido por chispa. Un año más tarde Alfa Romeo introdujo la inyección directa en el mercado con el sistema JTS (Jet Thrust Stoichiometric) y hoy en día su mayoría de modelos siguen usando esta tecnología. En 2003, BMW introdujo su primer motor de inyección directa de gasolina con el V12 N73. Hubo mejoras para este motor, pudiendo así desarrollar el sistema de quemado modo pobre. En el año 2007, se introdujo el nuevo motor de inyección directa con doble turbocompresor , el N54 para los modelos del 335i Coupe y para los modelos de la serie 535i y 135i. A partir del año 2004 , General Motors introdujo en el mercado tres tipos de motores de inyección directa: en 2004 el motor Ecotec 2.2l de 155hp utilizado en los modelos Opel/Vauxhall Vectra y Signum. Ilustración 5-3:Opel Vectra 2.2 Ecotec En 2005 ; Mazda comenzó a usar su propia versión con el Mazda Speed 6 y más tarde con el CX-7 . En 2006 Mercedes-Benz introduce el sistema (CGI) en el Mercedes CLS 350 con inyectores piezo-eléctricos. La importancia en el profundo desarrollo de los motores de inyección directa en la actualidad viene dada por la continua fluctuación en los precios mundiales del petróleo y el agotamiento a medio plazo de esta fuente 21 de energía primaria que como consecuencia trae el desarrollo de motores que consuman menos; y la reducción de emisiones contaminantes, aspecto de gran importancia en la actualidad. Ilustración 5-4:Evolución de vehículos de gasolina de inyección directa matriculados sobre el total de vehículos gasolina en España La introducción de sistemas de inyección directa en motores de gasolina ha evolucionado a un ritmo muy lento desde su aparición en el mercado español a mediados de la década de 1990. Aunque aparentemente esta tecnología se encuentra aún en su etapa inicial de difusión, lo cierto es que en los últimos 4 años su presencia ha aumentado sustancialmente y los vehículos con inyección directa han duplicado su peso en el mercado hasta casi un 19% en 2012, lo que apunta una fuerte tendencia al alza hacia su previsible implantación masiva en la próxima década. De hecho, las estimaciones más recientes afirman que el 28% de los vehículos de gasolina que se matriculen en 2015 a nivel mundial serán de inyección directa. Indudablemente, la inyección directa ha demostrado ser uno de los sistemas más eficaces desarrollados por la industria del automóvil para reducir el consumo de combustible en los vehículos propulsados por motores de gasolina, y consecuentemente las emisiones de gases a la atmósfera. Por tanto, no es de extrañar que esta tecnología acelere su introducción en el mercado en los últimos años, a medida que los planteamientos medioambientales y de eficiencia energética en nuestra sociedad se hacen cada vez más exigentes. Ilustración 5-5:Emisión media de CO2 (g/km) en turismos de gasolina matriculados 22 La reducción más importante en las cifras de consumo y emisiones de CO2 se ha concentrado en los últimos 4 años (16,4% desde 2008), coincidiendo precisamente con la creciente introducción de vehículos de inyección directa en nuestro mercado. El consumo medio de litros de gasolina ha pasado de ser de 7,2 l/km en el año 2002 a 5,7 l/km en el año 2012. La tecnología de inyección directa de gasolina es la base para las futuras generaciones de motores basados en accionamientos más limpios y de bajo consumo. La inyección directa consigue una reducción en el consumo de hasta un 15%, un aumento del par motor de hasta un 5% y una respuesta instantánea. Ilustración 5-6:Factores que afectan al ahorro de combustible de un motor GDI frente a un PFI La gráfica anterior muestra las contribuciones de varios factores, que afectan al ahorro de combustible en un motor de inyección directa de gasolina. Las contribuciones positivas respecto al ahorro de combustible del motor son: la relación de compresión (CR), la transferencia de calor (HT), las propiedades de la mezcla (PROP) y el bombeo (PUMP); mientras que las contribuciones negativas que más afectan son: la combustión (COMB) y la fricción (FRICT). El mayor contribuyente positivo al ahorro de combustible en este tipo de motor es la reducción de las pérdidas por bombeo debido a la reducción de la regulación, que representa aproximadamente un 10% en el ahorro de combustible, seguido por las propiedades de la mezcla (7.5%), la relación de compresión (3.1%) y la transferencia de calor (2%). Por otro lado, la combustión y la fricción aportan una pérdida del 4% y 3.9% en el ahorro de combustible. Además la inyección directa de gasolina, en combinación con la sobrealimentación del motor, permite implantar conceptos de "downsizing" para los motores de combustión, que logran una reducción adicional del consumo, potencialmente hasta un 30%, sin renunciar a prestaciones mecánicas como el par de giro o potencia de los motores. 5.2 Caracterización del MEP de inyección directa En los motores de inyección directa de gasolina, la mezcla de aire y combustible se forma directamente en la cámara de combustión. El circuito de alta presión del sistema de inyección directa de gasolina está alimentado por una bomba de alta presión que comprime el combustible desde una presión inicial de 0,3-0,5 MPa hasta llegar a la presión de inyección necesaria en el raíl, entre 7 y 15 MPa. Los inyectores conectados al raíl de combustible dosifican y atomizan el combustible de forma extremadamente rápida y a alta presión para permitir la mejor preparación de la mezcla directamente en la cámara de combustión. De este modo, el combustible y el aire se mezclan en una zona específica de la 23 cámara, a fin de lograr una combustión óptima de la gasolina. Hasta siete orificios individuales de inyección permiten una adaptación flexible de la inyección a la cámara de combustión correspondiente. Ilustración 5-7:Esquema típico motor gasolina inyección directa (Bosch) Gracias a la formación homogénea de la mezcla, su dosificación precisa para cada ciclo de combustión y la válvula de inyección de alta presión, se consigue optimizar el quemado de la gasolina (minimizando la presencia de hidrocarburos no quemados) y reducir considerablemente el consumo, y por tanto la emisión de gases de escape. Esta tecnología se puede utilizar en todos los motores de gasolina gracias al bajo peso y reducido tamaño de los inyectores de alta presión, a su amplia variedad de formas de atomizado de gotas y a la distribución homogénea de la mezcla. Todas estas propiedades ejercen una influencia favorable en el proceso de combustión y permiten, además, mejorar el arranque en frío y las reacciones a los cambios de carga. 5.3 Relación aire-combustible y su influencia La proporción ideal de aire y combustible en un motor de gasolina es de 14,7 kg de aire por 1 kg de combustible. Esta relación ideal es la conocida mezcla estequiométrica. La cantidad de aire introducida en la combustión se corresponde exactamente con la necesidad teórica de aire. Con esta proporción está garantizada la combustión completa y el catalizador puede convertir prácticamente la totalidad de los gases de escape nocivos en gases inocuos para el medio ambiente. El exceso de aire se define como: El valor del exceso de aire (λ) para una mezcla estequiométrica es de 1. En la actualidad gran parte de los MEP funcionan con esta mezcla. Con otros tipos de combustible y diferentes sistemas actuales, la relación aire-combustible es diferente. 24 Ilustración 5-8:Influencia de λ en la potencia y consumo del motor En un MEP convencional, mezclas ricas de combustible resultan en λ<1, como se puede apreciar, la dirección de la flecha "a", a mayor cantidad de combustible, mayor consumo específico. En ciertos intervalos, esto mejorará la potencia de salida, pero aumentará también el desgaste del motor y las emisiones contaminantes. Por otro lado, mezclas pobres de combustible resultan en λ>1, donde existe exceso de aire, y hasta cierto rango habrá una mejora en el consumo específico y en la disminución de las emisiones contaminantes. Parte de las estrategias actuales en los motores de inyección directa de gasolina, trabajan con λ>1. Ilustración 5-9:Influencia de λ en emisiones contaminantes El mayor o menor grado de exceso de aire, da lugar a una mayor cantidad de emisiones de un tipo u otro de agente contaminante. Por ello, se requiere del apoyo de sistemas de tratamiento de gases de escape, para poder así reducir en mayor medida las emisiones contaminantes. Parte de la estrategia actual de la inyección directa de gasolina, trabaja con valores de λ>>1 gracias a la sobrealimentación, el EGR e inyecciones en modo pobre de combustible entre otros sistemas. Esto provoca altas emisiones en HC y partículas, y de ahí la importancia del uso de sistemas pos tratamiento junto con la inyección directa. 25 5.4 Procesos de combustión Ilustración 5-10:Procesos de combustión homogéneo y estratificado En los motores de inyección directa de gasolina, el proceso de combustión tendrá lugar en el interior de la cámara de combustión. Los mecanismos de combustión están determinados por la geometría de la cámara de combustión, el colector de admisión, el punto de inyección y el proceso de encendido. Es de gran importancia la relación entre la cantidad de aire y de combustible inyectado para los diferentes procesos en la combustión. El flujo de aire entrante es el encargado de transportar el combustible hacia un área determinada de la cámara de combustión para su evaporación en una zona concreta. El proceso de combustión en la inyección directa de gasolina se compone de varios modos de funcionamiento diferentes, entre los cuales el proceso cambia en función del punto de funcionamiento del motor. Básicamente, los procesos de combustión se dividen en dos categorías: carga estratificada o carga homogénea.  Proceso de combustión homogénea: En este caso, el proceso de combustión se realiza normalmente con una mezcla estequiométrica con un valor de λ=1 y con la inyección del combustible al comienzo de la carrera de admisión. De esta manera se puede evitar el costoso tratamiento de gases de escape en emisiones de NOx. Este proceso de combustión puede tener diferentes modos especiales de operación según los requerimientos específicos del motor en su aplicación.  Proceso de combustión con carga estratificada: En este caso, la inyección del combustible se produce en un rango específico dentro del mapa de operación del motor (como por ejemplo a bajas cargas o a bajas revoluciones del motor) durante la carrera de compresión del motor. De esta manera se produce una nube de mezcla aire-combustible cerca de la bujía de encendido. La relación aire-combustible λ en este caso será mucho mayor que 1. Esto permitirá operar al motor operar en un rango mayor de posiciones sin la estrangulación de la mariposa, traduciéndose en una mayor eficiencia debido a la reducción por las pérdidas por bombeo. 5.5 Modos de operación A continuación, se describirán los principales procesos usado en un motor de inyección directa de gasolina. El modo de operación apropiado dependerá de las necesidades y requerimientos del motor en un punto 26 concreto de funcionamiento: Ilustración 5-11:Modos de operación en el mapa de motor  Homogéneo: Zona A. En este caso, la relación aire-combustible es estequiométrica con valor de 14.7:1. El combustible se inyecta durante la fase de admisión para que haya tiempo suficiente de homogeneizar toda la mezcla. También funciona con un ligero exceso de combustible λ < 1 con el propósito de proteger el catalizador o aumentar la potencia a plena carga. En este modo de operación las emisiones contaminantes pueden ser tratadas fácilmente por un catalizador de tres vías.  Carga estratificada: Zona C. En este modo de operación el combustible es inyectado durante la carrera de compresión. Con esto se consigue que se cree una nube de combustible rodeado de gran cantidad de aire cerca de la bujía de encendido. Este tipo de operación requiere un tratamiento de gases de escape más caro, ya que el catalizador de tres vías es incapaz de reducir las emisiones de NOx . Este modo solo se puede ejecutar dentro de ciertos límites porque a altas cargas se produce un alto número de emisiones de hollín y NOx. La velocidad está limitada en torno a 3000 rpm debido a que a velocidades superiores no se dispone del tiempo suficiente para homogeneizar parte de la nube de carga estratificada.  Homogéneo-pobre. Zona B : Entre los tradicionales rangos de carga estratificada u homogénea, el motor puede funcionar con una mezcla de aire-combustible pobre (λ>1). El consumo de combustible es inferior es este modo comparado con el homogéneo. Sin embargo, este modo está acompañado de un incremento en las emisiones de NOx y será necesario un sistema de pos tratamiento más sofisticado.  Carga estratificada-homogénea: Zona D. En este modo, se realiza una primera inyección pobre de combustible durante la carrera de admisión que llena toda la cámara de combustión seguida de una segunda inyección durante la carrera de compresión. Esto provoca una mezcla más rica en las zonas adyacentes a la bujía. Este modo se activa durante un número de ciclos durante la transición entre el modo homogéneo y estratificado y de esta manera ajustar mejor el par. El 75% del combustible es 27 inyectado durante la primera fase. Este modo de transición reduce las emisiones de hollín comparado con el modo de carga estratificada y el consumo comparado con el modo homogéneo.  Homogéneo dividido: Este modo es una aplicación especial del anterior. Se utiliza después del arranque para poner el catalizador hasta la temperatura de funcionamiento.  Homogéneo de protección ante el autoencendido: Zona E. Para prevenir la aparición del autoencendido de la mezcla a altas cargas se pueden aprovechar características del modo de carga estratificada en modo homogéneo, como el uso del retraso de encendido y la doble inyección. En realidad el potencial de este modo de funcionamiento es bastante limitado.  Carga estratificada para el calentamiento del catalizador: Zona C. Modo estratificado con un alto nivel de exceso de aire, donde la inyección se realiza también en la carrera de compresión y luego nuevamente en la carrera de potencia. De esta manera, este combustible se quema muy tarde y provoca el calentamiento drástico del colector de escape a su vez conectado al catalizador.  Carga estratificada en el arranque: Zona C. La ventaja de este modo de inyección se basa en que el combustible se inyecta en el aire ya comprimido y calentado. De esta manera se evapora más combustible en condiciones iniciales más frías. Con este modo se reduce la cantidad de combustible inyectada y las emisiones de HC durante el arranque. Ya que durante el arranque el catalizador no funciona, este modo es importante para el desarrollo de conceptos de baja emisión. Ilustración 5-12: Inyección y combustión en los diferentes modos de operación 28 5.6 Sistemas de combustión Tanto la posición de la bujía en la cámara de combustión, como la distribución y geometría en esta y en el pistón, son factores determinantes a la hora de elaborar una mezcla aire-combustible de calidad y de forma rápida. Por ello, existen diferentes distribuciones en el interior de la cámara de combustión para facilitar el mezclado del aire con el combustible, la rápida ignición de la mezcla y propagación del frente de llama, factores fundamentales para el funcionamiento eficiente del motor. 5.6.1 Sistemas de combustión de primera generación Ilustración 5-13:Sistemas de guiado de primera generación Los dos sistemas de combustión que se agrupan bajo esta denominación son los de guiado por pared y guiado por aire. Se denominan de primera generación porque eran los que se utilizaron en los primeros motores de inyección directa de finales del siglo XX, hasta que se vio que sus ventajas se veían neutralizadas por algunos inconvenientes que presentaban y que se detallarán más adelante; por ello se pasó al uso de la inyección indirecta con carga homogénea hasta la aparición de los sistemas de combustión de segunda generación (o de guiado por pared). Tanto en los sistemas de guiado por pared como los de guiado por aire, el inyector se sitúa normalmente entre las válvulas de admisión, inyectando la gasolina con una presión de entre 50 y 160 bar. En los sistemas de combustión de guiado por aire, que son la mayoría de los sistemas de combustión de primera generación, la mezcla se prepara y dirige hacia la bujía mediante un hueco especialmente diseñado a tal efecto que se encuentra en la cabeza del pistón, como puede verse en el esquema. Algunos problemas que se derivan de las características propias de este sistema de combustión son:  Debido a que el inyector está dirigido hacia la cabeza del pistón, se producen acumulaciones de combustible y aumentan las emisiones de hidrocarburos inquemados.  Los colectores de admisión necesarios para producir el flujo de aire adecuado dentro del cilindro durante el funcionamiento en carga estratificada tienen efectos adversos en el funcionamiento a altas cargas.  El desplazamiento de la mezcla es dependiente de la posición del pistón, lo que hace muy difícil coordinar los tiempos de inyección y encendido para todo el rango de operación del motor.  Debido al especial diseño del pistón, éste es mayor y más pesado, lo que se traduce en mayores pérdidas mecánicas. 29 Para solucionar los problemas de emisiones de hidrocarburos inquemados se recurre a los sistemas de combustión de guiado por aire, en los cuales se diseña el colector de admisión y la cabeza del pistón para que sea el flujo de aire el que dirija la nube de mezcla hacia la bujía para hacer posible la combustión, como puede verse en el esquema de la Figura anterior. A pesar de que reduce las emisiones de hidrocarburos inquemados respecto al guiado por pared, no los elimina, y mantiene los otros problemas de éste, por lo que ambos se engloban en la misma generación. 5.6.2 Sistemas de combustión de segunda generación Ilustración 5-14:Esquema del sistema de guiado por chorro Los sistemas de combustión de segunda generación, o de guiado por chorro, enfocan el problema de llevar la nube de mezcla a las proximidades de la bujía de una manera distinta a la de los sistemas de combustión de primera generación. En éstos el inyector se sitúa en el centro de la parte superior de la cámara de combustión, donde tradicionalmente se situaba la bujía, y ésta se desplaza ligeramente hacia un lado, situándose muy próxima al inyector, como puede verse en la Figura, para asegurar la formación de la nube de mezcla inflamable en los alrededores de la bujía. La gran ventaja de esta solución es la disposición de la mezcla en las inmediaciones de la bujía recorriendo menos espacio; la desventaja asociada a esto es el poco tiempo disponible para la preparación de la mezcla, lo que lleva a que se usen inyectores capaces de inyectar hasta a 200 bar. Con esta configuración se solucionan los principales problemas de los sistemas de combustión de primera generación:  Debido a que el chorro de gasolina o la mezcla no entran en contacto con la cabeza del pistón o las paredes del cilindro, sino que queda “en suspensión” alrededor de la bujía, se evitan los problemas de acumulación de combustible y se disminuyen las emisiones de hidrocarburos inquemados.  El flujo de aire ya no es necesario para dirigir la mezcla a la bujía cuando el motor trabaja en carga estratificada por lo que el colector de admisión puede diseñarse para maximizar su efectividad a altas cargas.  El desplazamiento de la mezcla es independiente de la posición del pistón, lo que simplifica la coordinación de los tiempos de inyección y encendido.  No es necesario modificar el pistón para dirigir los flujos de aire, por lo que no se aumentan las masas móviles y por tanto no aumentan las pérdidas mecánicas. 36 cierre y apertura de las válvulas sincronizándolo con las condiciones de velocidad del motor. En zonas de bajas rpm, un cruce de válvulas reducido favorecerá un ralentí bajo y con esto, menores emisiones. A altas rpm, se dispone de poco tiempo, por lo tanto se requiere un mayor cruce de válvulas, especialmente a alta carga del motor. Al modificar el tiempo entre apertura y cierre de las válvulas, variará el llenado del motor con la mezcla de aire-combustible, obteniendo en ambas situaciones un comportamiento más optimo para la combustión. Ilustración 6-2: Sistema VTEC de Honda de distribución de válvulas variable El principio de funcionamiento consiste en variar el accionamiento del árbol de levas, que por un lado consigue cambiar su configuración avanzando entre 25º y 50º, y de esta manera variar los tiempos de apertura y cierre de válvulas mientras que, por otro lado, para conseguir diferentes geometrías de levas y de esta manera variar el ángulo de movimiento consiguiendo, aumentar o disminuir la apertura de las válvulas. 6.3 Combustión por difusión a baja temperatura (LTC) También conocida en inglés como Low Temperature Combustion (LTC) es un proceso de combustión no convencional propuesto para los motores de inyección directa diesel con el objetivo principal de reducción de las emisiones contaminantes de NOx y de la cantidad de partículas. Los principales parámetros que controlan la formación de NOx y partículas son la temperatura de llama (temperatura local) y la relación airecombustible (λ). La principal idea de la combustión por difusión a bajas temperaturas es crear procesos de combustión en áreas de λ-T donde la formación de NOx y hollín no es crítica. 37 Ilustración 6-3:Regiones principales de formación de NOx y hollín Actualmente, existen numerosos métodos de combustión a baja temperatura algunos de ellos ya desarrollados y otros en plena investigación para su desarrollo. Los más conocidos son:  Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI).  Dilution Controlled Combustion System (DCCS).  Highly Premixed Late Injection (HPLI).  Homogeneous Charge Late Injection (HCLI). Todos estos métodos de combustión se aplican únicamente a cargas parciales. Las características comunes de estos métodos de inyección son:  Combustión premezclada.  Falta de información para el control preciso de la combustión.  Altas tasas de presión.  Elevadas emisiones de HC y CO.  Escasas emisiones de NOx y partículas. 6.3.1 Combustión convencional en MEC Los procesos que afectan a la combustión y formación de contaminantes en los diferentes motores diesel de inyección directa convencionales pueden variar ampliamente en todo su mapa de condiciones de 38 funcionamiento y en las geometrías del motor. Por consiguiente, existe un gran "mapa conceptual" de la combustión directa diesel convencional, con diferentes características según el modelo de motor y su año. Sin embargo, en la mayoría de estos prevalecen tres características principales:  El proceso de combustión coincide temporalmente con parte del proceso de inyección de combustible. Por lo tanto el retraso del encendido es relativamente corto. Este típico modo de combustión diesel varia de cargas moderadas a altas según las condiciones.  Chorro libre de combustible. Durante la inyección de combustible, los inyectores propagan el choro de combustible de forma relativamente libre en el interior de la cámara de combustión hasta que este interactúa con las superficies del cilindro.  Una sola inyección de combustible por ciclo del motor. Ilustración 6-4:Diagrama distribución del proceso combustión convencional diesel: NOx y PM 6.3.2 Combustión diesel a baja temperatura no simultánea a la inyección Esta es una de las estrategias de combustión por difusión a baja temperatura. Este proceso de combustión crea una imagen muy distinta de la formación de contaminantes del cilindro a la descrita anteriormente. Este subconjunto de LTC comienza a desarrollarse hace más de una década y sus características más generales son:  Este tipo de combustión se aplica principalmente a cargas bajas.  Combustión a baja temperatura por dilución de EGR. La baja temperatura necesaria para reducir las emisiones se puede lograr con una mezcla muy pobre de combustible o con la dilución de la carga de admisión mediante EGR. El primero mencionado correspondería al método HCCI, que tiene un enfoque prometedor de cara a futuros desarrollo. 39  Inyección antes o después que en el sistema convencional, pero con el inicio de la combustión después del final de la inyección.  Múltiples inyecciones de combustible. 6.3.3 Combustión diesel a baja temperatura simultánea a la inyección También conocida como combustión diesel cuasi-estable de baja temperatura, esta es la segunda de las variantes de la combustión por difusión a baja temperatura. La principal característica de este tipo de combustión es que durante la combustión, la inyección de combustible continúa. Esto es debido a condiciones de funcionamiento con cargas altas, ya que las duraciones de la inyección en este caso pueden exceder el retraso del encendido, incluso con EGR, y especialmente cuando la inyección se produce cerca del punto muerto superior. Ilustración 6-5:Diagrama LTC: reducción emisiones NOx y PM 6.4 HCCI/CAI A partir del año 2001 en adelante surgieron los primeros prototipos de motores que recurrieron al autoencendido controlado de la mezcla de aire y combustible. Esta tecnología es conocida como HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition; encendido por compresión de carga homogénea, en español) o CAI (Controlled Auto Ignition; autoencendido controlado, en español). Estos motores tienen dos modos de funcionamiento, a altas cargas funcionan como un motor normal, mientras que a baja carga el encendido de la mezcla se produce por la compresión de ésta. Esta tecnología ha tenido un mayor desarrollo en los motores diesel, mientras que, en los motores gasolina, poco a poco se han introducido ciertos modelos en el mercado, aunque aún se encuentra en pleno 40 desarrollo. 6.4.1 Principio de funcionamiento Similar a un motor convencional de encendido provocado, en un motor con funcionamiento HCCI/CAI el combustible y el aire se mezclan bien en el sistema de admisión o bien en los cilindros mediante la inyección directa. A continuación la masa premezclada de aire y combustible se comprime y hacia el final de la carrera de compresión, la combustión se inicia mediante el autoencendido, de manera similar a los motores de encendido por compresión convencionales. La temperatura de la carga tiene que incrementarse durante el inicio de la compresión para alcanzar las condiciones de encendido automático al final de esta. Esto puede hacerse mediante:  El calentamiento del aire de admisión.  Manteniendo parte de los productos de la combustión en el cilindro.  Reintroduciendo parte de los gases de escape en el cilindro.  Incrementando la relación de compresión.  Inducción forzada.  Momento de la inyección en MEP de inyección directa. Todas estas estrategias obtienen como resultado una mayor temperatura de la mezcla durante el proceso de compresión, por lo que a su vez se aceleran las reacciones químicas en el combustible mezclado homogéneamente. En un motor HCCI ideal, el autoencendido y la combustión tendrán lugar en toda la cámara de combustión de forma simultánea, resultando en una alta tasa de liberación de calor y con ello de energía. Esto produce altas presiones en el interior del cilindro que pueden producir su deterioro. Por esta razón, el proceso HCCI se emplea generalmente durante cargas bajas del motor. 41 Ilustración 6-6:Modos de combustión 6.4.2 Ventajas e inconvenientes Ventajas:  Desde que los motores HCCI son de mezcla homogénea pobre, los motores de encendido por compresión (MEC) pueden operar con relaciones de compresión mayores de 15:1, logrando así un 30% más de eficiencia que en un motor de encendido por chispa convencional.  La homogeneidad en la mezcla de aire y combustible conduce a una combustión más limpia y a menores emisiones. Esto es debido a que las temperaturas máximas son significativamente menores que en un MEC convencional.  Emisiones insignificantes de NOx y partículas. Es la ventaja principal.  Los motores HCCI pueden funcionar sobradamente con combustible diesel, también con gasolina(actualmente en desarrollo) e incluso con combustibles alternativos como el gas natural.  El sistema HCCI evita pérdidas por bombeo de la mariposa en el caso de los MEP, aumentando así su eficiencia. Inconvenientes:  Dificultades para conseguir el arranque en frío.  Altas tasas de liberación de calor y de aumento de la presión en el cilindro que contribuyen a un alto desgaste del motor. 42  Dificultad de controlar el proceso de ignición. A diferencia de los MEP controlados por una bujía o de los MEC controlados por la presión de inyección.  Los motores HCCI tienen rangos pequeños de potencia efectiva. Esto es debido a las restricciones que ocurren a cargas bajas, limitados por la inflamabilidad de la mezcla pobre o a cargas altas, limitados por las altas presiones.  Aumento de las emisiones de CO y HC debido a la oxidación incompleta( producida por una combustión muy rápida y a la disminución de temperatura en el cilindro.).  Necesidad de sistemas de tratamiento de gases de escape más sofisticados que en los MEP o MEC convencionales.  Necesidad de un sistema de control de alta potencia. Ilustración 6-7:Proceso combustión HCCI vs diesel convencional: Disminución en NOx y PM 6.4.3 Control HCCI El proceso de combustión HCCI es más difícil de controlar que los procesos llevados a cabo en los MEP o MEC convencionales. En los MEP, la ignición comienza con una chispa y en los MEC, comienza con la inyección de combustible en el aire pre-comprimido. En ambos casos, la sincronización de la combustión se controla de forma explícita. Sin embargo, en un motor HCCI, la homogeneidad de la mezcla de aire y 43 combustible es comprimida y encendida cuando hay cierta presión y temperatura en el interior del motor. Esto significa que no hay un método directo bien definido para el inicio de la combustión. Por ello, se necesita un amplio sistema de control que regule tanto la relación de compresión necesaria, la temperatura de entrada de los gases recirculados, la relación aire-combustible etc. Los principales enfoques de control son:  Relación de compresión: Esta se puede modificar con unas válvulas de admisión variable (VVT; variable valve timing en inglés). Este enfoque requiere mayor energía para lograr una rápida respuesta, además es caro pero es muy efectivo.  Modificación de la temperatura: Como el sistema HCCI es muy sensible a la temperatura, se puede modificar esta a conveniencia para conseguir la auto ignición. El método de control de temperatura más simple es el uso de resistencias a la entrada, pero este enfoque es demasiado lento para cambiar de un ciclo a otro. Otro método a destacar es variar la temperatura de la carga de admisión de aire, mediante mezcla de corrientes de aire frío y caliente. Este proceso es mucho más rápido para el control del ciclo que el anterior.  Regulación en el EGR(%): El uso de EGR tiene efectos sobre el proceso HCCI. EL primero es que diluye la carga fresca (si los gases de escape son recirculados al colector de admisión), retrasando el encendido. El segundo es que el conjunto de gases de escape calientes (retenidos en el motor) aumentan la temperatura de la mezcla en el cilindro controlando así el encendido.  Actuación de las válvulas: Mediante el conocido accionamiento de válvulas variables (VVA), que consigue un control más preciso de la temperatura y presión en la cámara de combustión. Esto se consigue debido al control de la relación de compresión, regulando el momento en el que se cierra la válvula de admisión o controlando la cantidad de gases de escape retenidos en la cámara de combustión mediante los juegos de válvulas de entrada y salida. Este sistema es caro, pero muy eficiente, y con una tendencia en alza en su uso en la actualidad. 6.5 Recirculación de gases de escape (EGR) La principal función de este sistema consiste en redirigir una parte de los gases de escape de los motores de combustión hacia el colector de admisión, para reducir principalmente las emisiones de NOx. Se comenzó a utilizar a principios de 1970, pero es en las últimas dos décadas donde ha tenido una mayor implantación en los motores diesel y actualmente en los motores de gasolina de inyección directa debido a la evolución de las normativas sobre emisiones y por la preocupación por la disminución de las reservas de combustible. El objetivo de esta recirculación es disminuir la temperatura de entrada de la carga al motor, para de esta manera conseguir mayores relaciones de compresión y una mejor eficiencia térmica. 44 6.5.1 Características del sistema Dentro de las características del EGR, hay que hacer una distinción entre:  EGR interno, que está determinado por la sincronización de las válvulas y el gas residual.  EGR externo, que se dirige hacia la cámara de combustión a través de líneas adicionales y una válvula de control. Las principales causas por las cuales se experimenta una alta reducción en las emisiones de NOX son:  Reducción del flujo másico de gases de escape.  Reducción de la presión parcial del oxígeno o del factor de exceso de aire local.  Caída en la tasa de combustión y, por lo tanto, disminución de las temperaturas pico debido al aumento de gases inertes en la cámara de combustión.  Reducción en las pérdidas por bombeo, debido a que la mariposa de entrada en la inyección directa está abierta en casi todo momento. Con un aumento alto en la tasa de EGR(%), se producirá una reducción muy considerable debido a las consecuencias mencionadas anteriormente. La cantidad de gases de escape recirculados también afecta al período de retraso del encendido. Los principales beneficios del uso de EGR son:  Menor formación de NOx gracias a la menor temperatura de llama. Esto es debido a que el CO2 y H2O recirculados tienen un mayor calor específico y por lo tanto la temperatura de combustión será inferior.  Alternativa eficaz como supresor de la autodetonación.  Pequeña mejora del par motor.  Ahorro combustible a altas velocidades y cargas de hasta un 12%. En cambio, el uso del EGR conlleva:  Aumento de las emisiones de CO.  Aumento de las emisiones de HC.  Necesidad de medidas de postratramiento de gases más eficaces. 45 Ilustración 6-8:Efecto del EGR sobre la emisión de NOx y PM 6.5.2 Tipos de circuitos EGR -EGR de alta presión: Estos son los actuales EGR que se encuentran en mayor producción en el mercado.  Modo de operación: Los gases de escape son recirculados antes de llegar a la turbina de escape hacia el colector de admisión a través de un mezclador hasta después del compresor. El volumen de EGR dependerá de la diferencia de presiones entre el gas de escape de la turbina de contrapresión, la presión del colector de admisión, y la posición del accionamiento eléctrico o neumático de la válvula del EGR. En este caso, la válvula de control de EGR se sitúa lo más cerca posible de las lumbreras de admisión para permitir un rápido cierre de gases y minimizar la suciedad dentro de la ruta del aire de admisión. En los vehículos del mercado, la presión de recirculación de gases de escape es la adecuada con el programa de mapeado de emisiones del motor. Solamente en los puntos de carga más baja es necesario restringir el flujo de gas en el lado del colector de admisión para lograr tasas suficientemente altas de EGR. Por ello en motores de camiones, se toman ciertas medidas como añadir turbocompresores de geometría variable (VTG) o mezcladores de venturí para implementar el funcionamiento del EGR.  Control: Actualmente el control de la cantidad de gases de escape recirculados se realiza midiendo la masa de aire de entrada y puede hacerse más preciso combinando esto con un control de la expresión de lambda de bucle cerrado.  Ventajas: Mayor durabilidad del compresor, mayor eficiencia del compresor y minimización de volumen muerto en el EGR. 52  Altos costes en diseño y control para la disminución de potencia del compresor (Acoplamiento, cambio de régimen y válvulas de control).  Retraso en la respuesta ante ciertos requisitos de carga repentinos.  Ruido debido al funcionamiento irregular con la consecuente pérdida de eficiencia.  Pérdidas por rozamiento durante el accionamiento del compresor. Turbosobrealimentación: En la turbosobrealimentación, el compresor se encuentra equipado con una turbina que aprovecha la energía de los gases de escape. Los gases de escape del motor pasan por el colector de escape hacia la turbina y de aquí esta genera un movimiento mecánico en un eje conectado con el turbocompresor que este aprovecha para su funcionamiento y de esta forma comprimir el aire de entrada. La regulación de potencia de la turbina se realiza a través de la válvula "wastegate". Ilustración 6-16: Esquema básico de la turbosobrealimentación de un motor Esto se transforma en un aumento en la potencia y en la eficiencia del motor. La mayoría de los motores diesel que montan los automóviles actuales cuentan con un turbocompresor. También los motores gasolina de la corriente downsizing tienden a montarlos, ya que con una cilindrada pequeña y aplicando un turbo se pueden obtener grandes resultados en cuanto a potencia, eficiencia y consumo de combustible. Por no hablar de las versiones más prestacionales que montan turbos a sus motores de gasolina como manera de obtener potencia bruta y altas prestaciones. La turbosobrealimentación puede dividirse en turbosobrealimentación a presión constante o en turbosobrealimentación a pulsos: 53  En la turbosobrealimentación a presión constante, solo se aprovecha la energía térmica del escape. La presión constante antes de la turbina, por una parte, tiene un efecto positivo sobre la eficiencia media y sobre el comportamiento de succión de la turbina pero, por otro lado, esto provoca mayores pérdidas debido al no aprovechamiento de la energía cinética en el escape.  En la turbosobrealimentación por pulsos , el objetivo es dirigir los gases de escape a la turbina en el menor tiempo posible y con la consecuente menor pérdida de energía posible. En este caso tanto la energía térmica como cinética son aprovechadas en el escape. Por otro lado, los gases de escape se propagan a velocidad sónica y esto afectará con contrapresiones en el escape que tienen un efecto negativo en la eficiencia y sobre la resistencia térmica y mecánica de la turbina. En estos sistemas, el principal método de control de la carga que entra a la turbina de escape, se realiza a través de unas válvulas a la salida del colector de gases de escape (wastegate). Ilustración 6-17: Mapa y línea de operación de un turbocompresor La figura anterior muestra el mapa de características de un turbocompresor con sus límites. El funcionamiento a plena carga es descrito con la línea de operación de la figura, que aumenta casi exponencialmente de izquierda a derecha. Además, la turbosobrealimentación puede ser de una sola etapa, o de varias con enfriamiento intermedio. El enfriamiento intermedio se produe para disminuir la temperatura del aire, y de esta manera obtener una mayor densidad. Además, al aumentar la temperatura de admisión aumenta el peligro de autoencendido o picado, por ello es necesario un "intercooler". 54 Ilustración 6-18: Turbocompresores de una etapa (izquierda), dos etapas con refrigeración (derecha) También existe la posibilidad de realizar una turbosobrealimentación secuencial conocida como "biturbo", donde variará en una sola etapa o dos etapas en la cual existirán turbocompresores igualmente grandes o varios de diferentes tamaños. Esta aplicación se utiliza en media y alta velocidad en motores de alto rendimiento. Ilustración 6-19:Mapa de funcionamiento de un turbocompresor secuencial La figura muestra el mapa de actuación y los rangos de funcionamiento con un pequeño turbocompresor y otro más grande en un motor de alto rendimiento. El pequeño asegura un rápido tiempo de respuesta y un buen par motor a bajas velocidades, mientras que el grande proporciona buena eficiencia a altas velocidades del motor. También cabe destacar el proceso compuesto de uso de un compresor mecánico para bajas velocidades junto con un turbocompresor adicional para el funcionamiento a media o alta cargas. 55 Ilustración 6-20: Comparación de tipos de sobrealimentación La figura anterior representa la línea operativa de un turbo compresor comparado con las líneas operativas de un compresor mecánico y motor de aspiración natural. Se puede observar que a velocidades bajas (r.p.m), se alcanza un alto par gracias al turbocompresor. Cabe destacar la "meseta" en el par producida a velocidades medias, que se mantiene constante gracias al "wastegate". Para terminar, se decribirán las principales ventajas e inconvenientes de la turbosobrealimentación: Ventajas:  La contrapresión en el escape se reduce para cargas parciales.  Disminución del consumo específico de combustible gracias al llamado "efecto de autorregulación" del turbocompresor.  Tiempo de respuesta rápido.  Reducción en el consumo de combustible.  Bajos costes de fabricación del turbocompresor debidos a las altas cifras de producción.  Pequeño tamaño de la unidad de sobrealimentación, con la turbina acoplada en el colector de escape se mejora el rendimiento y el tiempo de respuesta.  Menor estrés térmico en el sistema de sobrealimentación debido a la reducción de la temperatura a través de la turbina. Inconvenientes:  Límite en la presión de la carga a bajas velocidades del motor debido al límite de bombeo. 56  Pérdidas elevadas en el intercambio de gases y escaso intercambio de gases del motor debido a las altas presiones antes de la turbina, especialmente en diseños pequeños del turbocompresor.  Presión de sobrealimentación reducida a bajas velocidades del motor a plena carga, debido a la escasa energía presente en el escape.  Influencia de las medidas de postratamiento de los gases de escape en la interacción turbocompresor-motor.  Problemas térmicos en ciertas partes del turbocompresor.  Intervención en el control del volumen de inyección debido a la dependencia de la presión de la carga. 6.7 Motores de gas natural de inyección directa En este capítulo se describirán las características de los motores de combustión interna de gas natural de inyección directa en el cilindro cercano al PMS (punto muerto superior). Existe una variedad de enfoques a la hora de construir este tipo de motor, donde se deberán de cumplir una serie de parámetros como en la relación de compresión y también requisitos del tipo el sistema de combustible. Actualmente se puede trabajar con gas natural licuado ( el más usado de esta tecnología) y gas natural comprimido. El potencial de este tipo de motores se encuentra en la posibilidad de reducir las emisiones contaminantes y en especial de carbono a la atmósfera, debido principalmente, a la creciente preocupación global por la gran contaminación de algunas zonas urbanas, donde el gas natural puede convertirse en un candidato atractivo para reemplazar total o parcialmente el petróleo como combustible para el transporte en las grandes ciudades, debido a su potencial de generar menos emisiones contaminantes que el diesel o la gasolina. Los motores de gas natural, tienen una elevada eficiencia térmica, ya que pueden aprovechar el alto octanaje del gas natural para elevar las relaciones de compresión. Otro punto a favor es que la capacidad de mantener reguladas las emisiones de NOx o de PM es tan buena como en los motores diesel. La inyección directa de gas natural podría usarse de apoyo en la combustión premezclada o en la combustión por difusión. 6.7.1 Desarrollo del motor La inyección directa de gas natural comparte cierta tecnología del motor con la correspondiente al diesel y a la gasolina. Existen tres posibilidades para el desarrollo de un motor de gas natural: Diseñar un nuevo motor para el propósito específico en la quema de gas natural, convertir un motor de gasolina convencional o convertir un motor diesel convencional. Diseñar un nuevo motor ofrece la máxima flexibilidad y probablemente sea el diseño más eficiente para la operación con este tipo de combustible, pero los grandes costes en el montaje, le impiden ser 57 comercialmente viable, debido a que hoy en día el uso de estos motores es a pequeña escala. Por lo tanto, diseñar específicamente un nuevo motor, es poco probable en el mercado automovilístico actual y en el del futuro a corto plazo. Rediseñar un motor de gasolina no conlleva unos costes tan altos como la primera opción. El uso de gas natural en un motor de gasolina permite un cierto aumento en la relación de compresión, pero de forma limitada. Aún así existiría un beneficio, sobre todo a carga parcial. El sistema de combustible se rediseñaría y la unidad de control electrónico (ECU) podría mantenerse, pero modificando su software. Rediseñar un motor diesel con un sistema de gas natural es más económico que un nuevo diseño de motor. La ventaja del motor diesel en cuanto a rediseño sobre el de gasolina, es que estructuralmente es capaz de soportar mayores relaciones de compresión, aunque también este tipo de motor es más caro que los gasolina. Las principales modificaciones en el motor diesel se darían en : la sustitución del sistema de combustible, adicción de un sistema de encendido y modificación de la ECU. 6.7.2 Relación de compresión En un motor de inyección directa de gas natural, la relación de compresión vendrá determinada por el arranque en frío del motor, la eficiencia del freno del motor y el límite máximo en la presión del cilindro. El arranque en frío generalmente determina el límite inferior de la relación de compresión. En el motor de gas natural, el combustible inyectado ya se encuentra en forma gaseosa, por lo tanto la vaporización del combustible no es un problema aunque serían necesarias altas temperaturas para la auto ignición del combustible, por lo tanto, es necesario el uso. La eficacia de la presión efectiva de un motor está directamente relacionada con la eficiencia térmica del ciclo diesel ideal, y también está relacionada con la fricción del motor y del cilindro con la transferencia de calor. Por norma general, al aumentar la relación de compresión aumentan la eficiencia térmica, la transferencia de calor por fricción el tamaño y coste del motor. Por lo tanto, la relación de compresión en el motor de gas natural debe estar entre el rango de 10:1 a 24:1, donde el extremo inferior de la relación de compresión es el resultado del equilibrio entre eficiencia del freno del motor y el peso y coste del motor. Por otro lado, el límite superior esta impuesto por la máxima presión en el cilindro. En los motores de gas natural con un consumo muy elevado, la relación de compresión se estrecha entre los rangos de 12:1 a 18:1, ya que la reducción de la relación de compresión mejora la potencia, las emisiones contaminantes y reduce ruidos y vibraciones. 6.7.3 Almacenamiento y suministro del combustible El suministro del gas natural puede darse en forma comprimida (CNG) en torno a los 200 bar o en forma licuada(LNG) a -160ºC como mínimo. Los componentes principales variarán según si el gas se encuentra en una forma u otra. El sistema de suministro consiste principalmente en: Un tanque de almacenamiento del combustible: Similar a los depósitos de gasolina o diesel, pero de un tamaño y estructuras diferentes, para soportar mayores presiones y temperaturas. Según el tipo de gas natural almacenado, variará el tamaño, peso y coste del depósito. Para aplicaciones en donde las distancias a recorrer son grandes, es preferible el uso de LNG (grandes camiones de transporte de mercancías), en 58 cambio para aquellas aplicaciones donde el repostaje de CNG sea fácilmente accesible y las distancias a recorrer sean menores, (autobuses en las ciudades) el CNG es una buena opción. Un compresor o bomba de impulsión del combustible: En el caso del LNG son siempre necesarios para aumentar la presión de circulación del combustible, ya que normalmente el LNG se encuentra a una presión inferior a 10 bar, la cual no es suficiente para suministrar el combustible al motor. Por otro lado en el caso de CNG no es necesario el uso de un compresor, pero podría ser una opción deseable. Un intercambiador de calor: La función principal de este es mantener estable la temperatura del combustible para que su inyección sea constante. En el caso del CNG, este sistema se usa para reducir la temperatura del gas después de su compresión. En el caso de LNG, se utiliza para vaporizar el combustible tras su elevación de presión o viceversa. Inyectores: Similares a los del sistema de inyección directa de gasolina o diesel, con una presión de inyección de un orden de magnitud inferior a los sistemas diesel. Sistema de válvulas, acumulador y filtros. Ilustración 6-21:Sistema de suministro en un motor de gas natural 6.7.4 Encendido del combustible En un motor de gas natural, es difícil encender el combustible directamente por compresión, por lo tanto, es necesario del uso de métodos para iniciar la combustión donde destacan los siguientes, encontrados en aplicaciones de productos para el mercado y en prototipos en desarrollo: Bujía de encendido: Ha sido usada en los motores MEP desde prácticamente la invención de estos. Dos factores son clave en el uso de la bujía en motores de gas natural: la colocación oportuna en la cámara de combustión y el momento exacto de iniciación de la chispa eléctrica. Para mejorar el funcionamiento se puede recurrir a la creación de múltiples chispas, aumentando así la eficiencia en la quema de gas natural. Bujía de precalentamiento: Ha sido utilizada principalmente en los MEC para facilitar los arranques en frío. Este tipo de bujía genera un flujo continuo de calor que no es sensible a la presión de la cámara, y es una buena opción para los motores de inyección directa de gas natural. Para el buen funcionamiento de esta, hay que tener en cuenta su colocación, su temperatura superficial y el control de la mezcla aire-combustible. Encendido mediante combustible piloto: El gas natural introducido en la cámara de combustión también puede ser quemado mediante la anterior quema de otro combustible, llamado combustible piloto. Se trata 59 de un método de encendido indirecto por compresión, y puede dividirse en un inyector por cámara , con la mezcla de aire, combustible y combustible piloto o varios inyectores separando la mezcla de airecombustible del combustible piloto. 6.7.5 Combustión La combustión de gas natural difiere de la combustión diesel principalmente en cuatro aspectos: Los chorros de gas natural entran en el cilindro en forma gaseosa, por lo tanto no necesitan de la fase de evaporación. La tasa de mezcla del gas natural con el aire es más lenta debido a las diferencias en las presiones de inyección. Esto conduce a una velocidad de combustión más lenta. El gas natural necesita de más aire para realizar el proceso de combustión, la relación aire combustible estequiométrica del gas natural es aproximadamente 17:1 y su poder calorífico es de 49MJ/kg. Por lo tanto, para generar la misma cantidad de energía, el gas natural necesita aproximadamente un 4% más de aire que el diesel. Para lograr una eficiencia en el freno de motor similar a la del diesel, el sistema de combustión de un motor de gas natural tiene que modificarse en los siguientes parámetros respecto al motor diesel: Configuración de la cámara de combustión. Duración y sincronización de la inyección. Colocación del inyector en la cámara de combustión. 6.7.6 Emisiones La formación de NOx en la quema de gas natural es bastante inferior a la formación en diesel debido a la menor temperatura de la llama. Esto es aprovechado para mejorar el consumo de combustible mediante una sincronización en la combustión. Otra de las ventajas es el uso de un menor EGR para cumplir los límites de emisiones de NOx. Esto trae consigo un ahorro en el sistema de EGR. La combustión de gas natural también genera una menor emisión de partículas PM que el diesel. Esto puede conducir a la eliminación de alguno de los filtros existentes en el sistema de post tratamiento, o de aumentar el EGR para no exceder las emisiones de PM. En cambio, las emisiones de hidrocarburos no quemados y de monóxido de carbono son superiores que en un MEC, ya que el gas natural se quema más lentamente, especialmente a altas velocidades del motor y bajas condiciones de carga. 6.7.7 Ventajas e inconvenientes Las ventajas e inconvenientes del uso de motores de gas natural de inyección directa, se compararán respecto a motores diesel equivalentes, ya que ambos tipos tienen una estructura de motor similar y operan en el ciclo diesel. Ventajas: 60  90% menos de emisiones de NOx.  Tendencia casi nula de formación de partículas (PM).  20-25% menos de emisiones de CO2 debido a que prácticamente el gas natural se compone de metano, por lo tanto su ratio C/H es mucho menor.  Sistemas de post-tratamiento de emisiones contaminantes más baratos, debido a la producción en menor cantidad de estas.  Coste inferior del gas natural. Esto se cumplirá de forma general, en la mayoría de países del mundo, aunque variará según las reservas y las diferentes necesidades del combustible. En América del Norte y Australia el precio del gas natural es un 50% inferior al diesel. Inconvenientes:  Combustión incompleta debido a la menor velocidad de propagación de la llama (combustión más lenta). Esto provoca un mayor número de hidrocarburos no quemados.  Combustible fósil, fuente agotable de energía. El aumento en el consumo de gas natural se prevé a 25.39 BBOE (BILLION BARRELS OIL EQUIVALENT) por año en el año 2030. Con estos incrementos en el consumo, el gas natural podría desaparecer en 70 años.  Sistemas de combustibles más caros que los usados con el diesel. Esto es debido a las presiones y temperaturas soportadas en los depósitos del combustible de GNL Y GNC. Esto provoca el uso de materiales mucho más caros y con ello un proceso de fabricado mayor. También los compresores, bombas e inyectores usados con el gas natural son más caros debido a la necesidad de transportar el combustible directamente en forma gaseosa. Además la necesidad del encendido del combustible suma a estos costes el de los sistemas de encendido mencionados anteriormente.  Densidad energética inferior: La densidad energética del GNL es de 21.4MJ/litro y la del GNC es de 8.1MJ/litro mientras que la de la gasolina es de 31.8 MJ/litro y la del diesel es de 35.6MJ/litro. Por lo tanto para viajar una misma distancia con combustible LNG se necesitará un depósito un 70% mayor que el del diesel, con las mismas características del motor en cuanto a potencia. 6.8 Aplicación de biocombustibles Biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa (organismos recientemente vivos o sus desechos metabólicos). Estos combustibles de origen biológico pueden llegar a sustituir parte del consumo en combustibles fósiles. Cabe destacar que los biocombustibles son una alternativa más en vistas a buscar fuentes de energía sustitutivas, que sirvan de transición hacia una nueva tecnología. Existe una amplia variedad en cuanto a combustibles de origen biológico, pero el estudio de este trabajo se centrará en los más usados y conocidos. 61 6.8.1 Biodiesel El biodiesel se obtiene a partir de semillas oleaginosas mediantes esterificación de los aceites vírgenes extraídos principalmente de colza, girasol, palma y soja, pero también de aceites vegetales usados y de grasas animales. La tecnología de fabricación del biodiesel a partir de aceites vegetales se encuentra bastante desarrollada, lo que implica un beneficio medioambiental importante. El biodiesel puede emplearse como combustible único sustituyendo al diesel por completo o mezclándose con él en diferentes proporciones en los MEP o MEC. Lo más frecuente es mezclarlo con diesel, siendo la mezcla más habitual 5% biodiesel y 95% diesel. Las propiedades físicas y químicas del biodiesel son muy similares a las del diesel, por lo que los motores convencionales no necesitan de modificaciones para poder usar mezclas de hasta un 30%, aunque muchos fabricantes de motores solo ofrecen garantías con mezclas de hasta el 5%. A partir del 30% pueden surgir problemas en el motor, como la obstrucción de inyectores. La utilización del biodiesel puro al 100% reduciría las emisiones netas de CO2 entre un 40% y un 50%. 6.8.2 Bioetanol El bioetanol se fabrica mediante la fermentación del azúcar, del almidón o de la celulosa. La elección de la materia prima depende de consideraciones técnicas y económicas. EL bioetanol puede emplearse mezclado con gasolina en una proporción del 5% de bioetanol y 95% de gasolina, no precisándose modificación alguna del motor, y sin la pérdida de garantía del motor. El bioetanol puede emplearse al 100% en MEP pero con ciertas modificaciones en el motor. Estas modificaciones se realizarían a fin de evitar la auto detonación del combustible en el interior del motor. El empleo de bioetanol puro al 100% reduciría las emisiones netas de CO2 sobre la base de su ciclo de vida útil entre un 50% y 60%, aunque la producción de este biocombustible genera una demanda importante de energía. 6.8.3 Ventajas e inconvenientes Ventajas:  Proporcionan una fuente de energía reciclable, y por lo tanto, inagotable.  Las emisiones de gases invernaderos son reducidas un 12% por la producción y combustión del etanol y un 41% por el biodiesel.  Revitalizan las economías rurales.  Mejoran el aprovechamiento de tierras con poco valor agrícola.  Mejora la competitividad al no tener que importar fuentes de energía tradicionales. 68 Ilustración 7-6: Trampa de NOx 7.2.2 Sistemas empleados en MEC  Catalizador de oxidación: Catalizador similar a la parte de oxidación (Pt) de los catalizadores de tres vías de los MEP, situado cerca del motor para acelerar su puesta en marcha. Su objetivo principal es la oxidación de HC y CO además de tener un ligero efecto sobre la cantidad de partículas emitidas. También cabe destacar la oxidación del SO2 en este tipo de catalizadores. Su uso es generalizado en todos los MEC desde el uso intensivo del EGR.  Filtro de partículas: Conocido también por sus siglas en inglés FAP, es un dispositivo ubicado en el tubo de escape encargado de retener, en sus paredes porosas, las partículas sólidas que generan los motores sobre todo los MEC, para reducir el nivel de emisiones de estos coches. Actualmente , también se está desarrollando este tipo de filtro para los motores MEP de inyección directa, ya que su producción de partículas no es tan despreciable como se pensaba años atrás. Una vez que el filtro está lleno, él mismo se encarga de incinerarlas, mediante un proceso denominado regeneración. Para ello, cada cierto tiempo, inyecta más cantidad de combustible del habitual y así aumenta la temperatura de los gases de escape por encima de los 600 ºC, para quemar las partículas. En estas fases, el consumo de combustible sube ligeramente (un 10-15%) . Ilustración 7-7: Esquema del filtro de partículas en un MEC  Reducción catalítica selectiva de los NOx (SCR): Sistema de reducción de emisiones de NOx usado en la mayoría de MEC actuales, ya que su eficiencia en la reducción puede llegar hasta un 95%. Ha desbancado al sistema NSCR debido a su mayor eficiencia. Se caracteriza por la reducción de estas 69 emisiones por el uso de NH3, incluso en presencia del O2. Tiene una alta estabilidad térmica, y a diferencia de otros sistemas, no tiene penalización por regeneración, puede trabajar con menor %EGR. Su catalizador es de bajo coste, pero necesita de un aditivo conocido actualmente como AdBlue, para la generación de urea. Ilustración 7-8: Esquema del funcionamiento del SCR  Trampa de NOx: Su principio de funcionamiento es el mismo ya comentado anteriormente en los MEP de inyección directa. Su uso en MEC se extiende en automóviles de baja potencia, combinados con un alto uso de EGR. 7.3 Legislación Este proceso de regulación de las características de los automóviles nace de la preocupación por el planeta y su conservación. Gran parte de los países del mundo, tienen diferentes normativas y acuerdos, con objetivos a medio y corto plazo a cumplir, para la mejora de las condiciones del planeta. Las normativas de referencia más importantes a nivel mundial en cuanto a emisiones de gases contaminantes son:  Normativa CARB( California Air Resources Board).  Normativa EPA( Environmental Protection Agency, U.S.A.).  Normativa EU (Unión Europea).  Normativa Japonesa. Todas estas legislaciones tienen mucho en común, tanto en procedimientos de inspección como en las restricciones, por tanto se considerará en este trabajo las normas vigentes en la Unión Europea. La legislación anti-emisiones contaminantes de la Unión Europea se basa en la directiva 70/220/CEE del año 1970 y se ha ido actualizando con directivas, que modifican a la anterior, y que se conocen como Euro 1, Euro 2…, por el momento hasta Euro 6. 70 Motores gasolina Directiva Entrada en vigor Masa de monóxido de carbono (CO) [g/km] Suma de las masas de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno (HC+NOx) [g/km] Masa total de hidrocarburos (HC) [g/km] Masa de óxidos de nitrógeno (NOx) [g/km] Masa de partículas (PM) [g/km] Euro 1 Julio 1992 2,72 0,97 - - - Euro 2 Enero 1996 2,20 0,50 - - - Euro 3 Enero 2000 2,30 - 0,20 0,15 - Euro 4 Enero 2005 1,00 - 0,10 0,08 - Euro 5 Septiembre 2009 1,00 - 0,10 0,06 0,005 Euro 6 Septiembre 2014 1,00 - 0,10 0,06 0,005 Motores diesel Euro 1 Julio 1992 2,72 0,97 - - 0,14 Euro 2 Enero 1996 1,00 0,70 - - 0,08 Euro 3 Enero 2000 0,64 0,56 - 0,50 0,05 Euro 4 Enero 2005 0,50 0,30 - 0,25 0,025 Euro 5 Septiembre 2009 0,50 0,23 - 0,18 0,005 Euro 6 Septiembre 2014 0,50 0,17 - 0,08 0,005 Tabla 2:Datos de las restricciones impuestas por las normativas Euro y sus fechas de entrada en vigor 71 8 EL MCIA EN EL MERCADO AUTOMOVILÍSTICO ACTUAL Los motores MEC y MEP, han mostrado varias líneas de desarrollo, con el fin de mejorar la generación en el par mecánico, disminuir el consumo de combustible, las emisiones y el ruido. El desarrollo actual de ambas líneas puede decirse que esta caracterizado principalmente por:  La reducción del consumo de combustible y las emisiones de dióxido de carbono.  La reducción en las emisiones específicas de HC, NOx, PM y CO.  El desarrollo de potentes sistemas post-tratamientos de los gases de escape.  Un buen comportamiento del vehículo durante la conducción.  Una mayor potencia específica.  La reducción de las fricciones internas durante el funcionamiento del motor.  Una mejora en las funciones auxiliares, minimizando el consumo de energía.  La reducción de oscilaciones y ruido. 8.1 Aparición del Downsizing La principal tendencia a seguir en los últimos años, y hasta la actualidad ha sido el conocido Downsizing, que en parte, ha provocado el resurgimiento de los motores de gasolina de inyección directa. Los motores de combustión interna alternativos, principalmente han tenido que seguir dos caminos: la exigencia de un consumo de combustible menor, y por otro lado la reducción de emisiones contaminantes, como consecuencia de unas normativas más exigentes. La forma que han encontrado los fabricantes para evolucionar hacia estas dos ideas es ir en la dirección del Downsizing: reducir la cilindrada del motor y emplear una efectiva sobrealimentación. La idea es sencilla, si a un motor convencional le reducimos la cilindrada y lo sobrealimentamos, conseguimos mantener su potencia o incluso aumentarla, respecto al motor con más cilindrada. Como el motor es más pequeño, tiene menos pérdidas por fricción entre sus elementos, consiguiendo reducir el consumo. Además el motor es sobrealimentado, por lo que el trabajo de renovación de carga o de inyectar mezcla fresca también tiene un menor gasto energético que en un motor de aspiración natural (y se aumenta la capacidad de llenado del cilindro). Otra ventaja es el empleo de la inyección directa, no sólo en los MEC como hace unos años, sino también en los MEP, de tal manera que controlamos más la mezcla entre otras ventajas. Estas medidas, en principio, ayudan enormemente a cumplir las medidas de reducción de emisiones. Hace unos años parecía que los MEP estaban prácticamente perdidos: los MEC consumían bastante menos y el combustible era mucho más barato. Sin embargo, el MEP ha sufrido un gran impulso: con el Downsizing ha reducido considerablemente el consumo, y su capacidad de cumplir la normativa de emisiones es en principio más sencilla. Además el precio de la gasolina y el diesel tiene una diferencia más estrecha, por lo que, si nos fijamos en el aspecto económico, es necesario hacer bastantes kilómetros para justificar la diferencia en el precio del coche diesel (sobre 20000-25000 km al año, según el ejemplo que consideremos). Además, cabe mencionar el ajuste que se está haciendo a los MEC en cuanto a emisiones, que hace que aumenten su consumo, acercándose a los de los gasolina, por culpa del post-tratamiento de gases. Como complemento, el uso de otro sistemas como el de la válvula EGR o el sistema de distribución de válvulas 72 variables VVT junto con el Downsizing, hacen que los motores actuales de inyección directa se complementen de forma más eficiente, consiguiendo un ahorro en combustible y emisiones, que en principio, es lo buscado por las diferentes compañías automovilísticas. Las principales ventajas conseguidas en el uso del Downsizing son:  Menor peso del vehículo, debido al montaje de un menor número de cilindros y a un cigüeñal más corto, por lo general disminuye el peso del motor.  Menores pérdidas por fricción, con el consecuente ahorro de energía.  Reducción de las pérdidas mecánicas por bombeo.  Alta potencia específica, con menor peso del motor, que desemboca en un menor número de emisiones de CO2. Actualmente alcanza los 125CV/litro y con tendencias ascendentes.  Menor consumo de combustible.  Reducción general de emisiones contaminantes, con excepción de la emisión de partículas. Los principales inconvenientes del uso del Downsizing son:  Encarecimiento del motor, debido a que este tipo de motores incluyen sobrealimentación, sistema de válvulas variables, sistema EGR, inyección directa etc.  Mayor complejidad del sistema en conjunto, debido a la necesidad de altas presiones internas de funcionamiento.  Mayor numero de emisiones de partículas (PM) por kilómetro.  Mayores cargas térmicas y mecánicas, induciendo mayores posibilidades de picado en los MEP.  Difícil equilibrado del motor y mayor ruido, debido a que la mayoría son motores tricilíndricos. Medidas necesarias para implementar la estrategia del Downsizing:  Incrementar presión de sobrealimentación.  Incrementar la tasa de %EGR.  Reducir la temperatura de admisión.  Reducir la temperatura de funcionamiento EGR.  Incrementar la presión máxima en el cilindro.  Incrementar la presión máxima de inyección. 73 Un inicio de la aparición del Downsizing puede considerarse desde la aparición del motor EcoBoost 1.0 de Ford en el año 2012. Este motor en principio desarrollado para MEP, contaba con tres cilindros en línea , inyección directa, sobrealimentación del motor, EGR y distribución doble árbol de levas variable . Sus dos versiones iniciales desarrollaban 101CV y 125CV. Ilustración 8-1: Motor EcoBoost 1.0 Ford 2012 A partir de aquí, en la siguiente tabla, se presentarán los principales modelos de motores de diferentes fabricantes que han aplicado downsizing en los últimos años: Fabricante Modelo motor Año Combustible Inyección Aspiración Cilindrada (cc) Relación de compresión Potencia máxima Renault Energy 0.9 TCE 2012 Gasolina Directa Natural 898 9,5:1 90 CV @5000rpm Grupo Volkswagen TSI 1.0 Bluemotion 2013 Gasolina Directa Sobrealimentado 999 10,5:1 110 CV @4870rpm 1.4 TDI Bluemotion 2014 Diesel Directa Sobrealimentado 1422 18,5:1 75 CV @3750rpm Tabla 3: Principales modelos de motor que han aplicado downsizing (parte 1) 74 Fabricante Modelo motor Año Combustible Inyección Aspiración Cilindrada (cc) Relación de compresión Potencia máxima Grupo PSA 1.2 turbo PureTech 2014 Gasolina Directa Sobrealimentado 1199 10,5:1 110CV @5500rpm BMW 1.5 i 2015 Gasolina Directa Sobrealimentado 1499 10,2:1 120CV @4290rpm 1.5d 116 2015 Diesel Directa Sobrealimentado 1496 16,5:1 120CV @3890rpm Ford EcoBoost 1.0 2012 Gasolina Directa Sobrealimentado 999 10:1 125CV @6000rpm Hyundai 1.0 T-GDI 120 2015 Gasolina Directa Sobrealimentado 998 9,5:1 120CV @5000rpm Mitsubishi 1.2 MPI 2016 Gasolina Indirecta Natural 1193 11:1 80CV @ 6000rpm Nissan 1.2 DIG-S 2013 Gasolina Directa Sobrealimentado 1198 12:1 98CV @ 5600rpm Opel 1.0 T EcoTec 2015 Gasolina Directa Sobrealimentado 998 10,5:1 105CV @ 5500rpm Toyota 1.0 VVT-i 2014 Gasolina Indirecta Natural 998 11,5:1 70CV @ 6000rpm Tabla 4:Principales modelos de motor que han aplicado downsizing (parte 2) 75 8.2 Desarrollo y futuro del HCCI / CAI Desde el año 2005 a el año 2010, surgieron los primeros prototipos de motores que recurrieron al autoencendido controlado de la mezcla de aire y gasolina. Esta tecnología, HCCI, como ya se expuso anteriormente en el texto, tiene dos modos de funcionamiento, a altas cargas el motor funciona como un motor de gasolina normal de encendido por chispa, mientras que a bajas cargas la bujía se desactiva y el encendido de la mezcla se produce por compresión. En el mercado actual, han sido varios los fabricantes que han investigado o siguen investigando en este campo. Destaca General Motors, como el primero en presentar un prototipo de motor de estas características en el año 2007, adaptaron motores Ecotec 2.2L para que funcionasen como HCCI a bajas cargas y los instalaron en un Opel Vectra y en un Saturn Aura. Ilustración 8-2: Opel Vectra 2.2L HCCI También, a final de este mismo año, Mercedes-Benz presentó en el Salón del automóvil de Frankfurt, el F- 700, equipado con un motor prototipo denominado como "DiesOtto", que funciona según los principios del HCCI, además de contar con una gestión del encendido híbrida. Este prototipo podría ser la fuente de partida para futuros modelos HCCI de este fabricante. Por último el fabricante japonés Mazda, preveé lanzar para el año 2018 un motor HCCI en la ya conocida gama Skyactiv. Su primera aparición se daría en una nueva versión del Mazda 3, con el cual se espera una mejora del 30% en el ahorro de combustible sobre los motores convencionales. 8.3 Desarrollo y futuro del LBDI A partir del año 2015, el fabricante de vehículos Mercedes-Benz anuncia que siete nuevas versiones de Mercedes-Benz A-,B-,E- y CLA-Class ofreceren un mayor ahorro de combustible en comparación a modelos anteriores. Esto se debe a la aparición del motor M274 BlueDIRECT 2.0L, de 4 cilindros en línea de inyección directa de gasolina mediante espray guiado que opera en cargas homogéneas y en estratificadas pobres. El sistema de inyección alcanza hasta unos 200bar y permite realizar hasta cinco inyecciones en la misma carrera, para distribuir el combustible según el modo en el que esté operando. En este motor se estima un gasto de 5.4l/100km, un 7% menos que su predecesor. A continuación, se presentan los diferentes modos de funcionamiento de este característico motor de 76 Mercedes-Benz: Ilustración 8-3: Modos de funcionamiento del M274 2.0L BlueDIRECT  Modo estratificado-pobre: Abarca el mapa de características desde el modo de inactividad hasta 3500rpm y 5bar de presión media efectiva. La inyección de combustible se produce al final de la carrera de compresión y en tres etapas, de más largas a menos, para concentrar el combustible en puntos muy cercanos a la bujía de forma estequiométrica. La última inyección se realiza antes del encendido de la bujía y sirve para estabilizar las condiciones de la mezcla y la turbulencia.  Modo estratificado-homogéneo: Empleado hasta aproximadamente 11bar de pme, donde se produce una combinación de una primera inyección al inicio de la carrera de admisión, y dos inyecciones al final de la carrera de compresión para facilitar condiciones intermedias a plena carga.  Modo homogéneo: Se activa cuando la carga es tan alta que la mariposa se encuentra totalmente abierta. La inyección se produce al principio de la carrera de admisión, en condiciones estequiométricas. Además de este característico sistema de combustión, este motor emplea también el sistema CAMTRONIC, que permite una distribución de válvulas variable mediante un actuador electromagnetico, reduciendo así sustancialmente las emisiones de CO2, y con ello un gran porporcentaje del consumo de combustible. 77 Ilustración 8-4: Aplicaciones potenciales en el motor M274 de Mercedes-Benz y su mejora en las emisiones de CO2 Por último, esta familia de motores también está desarrollada para el uso de gas natural comprimido como fuente de combustible. Es decir, se permite el uso de GNC junto con gasolina, mediante una adaptación en el sistema de la Unidad Electrónica de Control (ECU) y diversas modificaciones en el turbocompresor, pistón y sistema de inyección. Ilustración 8-5: Comparación competitiva de rendimiento y consumo del E-Class NGD 8.4 El motor de gas natural en la automoción El mayor potencial de aplicación de motores de gas natural de inyección directa se encuentra en camiones, autobuses, furgonetas y en algunos coches de uso urbano. A día de hoy, los turismos utilizan un motor bi-fuel, es decir, puede consumir gasolina y gas natural. Los de grandes potencias, camiones, trenes o barcos son solo de gas natural. En los bi-fuel el funcionamiento del