Carga estratificada
Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema de recirculación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador.
Esta denominación es utilizada para definir el llenado medio de los cilindros cuando se utilizan mezclas pobres en los motores de gasolina. Para que la mezcla se pueda consumir debe tener la relación adecuada entre aire y gasolina. En mezclas pobres solamente se puede conseguir creando una zona del cilindro con la mezcla adecuada y otra zona del cilindro solamente con aire. La zona de mezcla correcta corresponde a la zona de la bujía, de forma que al saltar la chispa toda esa mezcla se quema. El aire de la otra zona del cilindro simplemente aumenta su volumen a causa del incremento de la temperatura. El llenado del cilindro se realiza en forma de estratos, es decir por capas.
La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal. La temperatura máxima que se alcanza es suficiente como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.
MOTORES DE CARGA ESTRATIFICADA
Desde 1920 se han hecho muchos intentos de desarrollar motores de combustión interna híbridos que combinen las ventajas de los motores encendidos por compresión y de aquellos encendidos por chispa. La idea es operar el motor en un rango de relaciones de compresiones (entre 12:1 y 15:1) donde la eficiencia sea alta y la misma empiece a saturarse mediante:
· Inyección del combustible directamente en la cámara de combustión durante la carrera de compresión evitando el autoencendido típico de motores encendido por chispa con altas relaciones de compresión.
· Encendido del combustible a medida que se mezcle con el aire usando una bujía para proveer un control directo del proceso de ignición.
· Controlar la potencia liberada por el motor variando la cantidad de combustible inyectado por ciclo con el aire a mariposa abierta siempre para minimizar el trabajo de bombeo de la mezcla fresca al
cilindro.
Estos motores se denominan de carga estratificada porque la mezcla airecombustible se forma en estratos de diferentes concentraciones y riquezas y el diseño de la cámara y la inclusión de la bujía de ignición permiten lograr las riquezas adecuadas para un eficiente encendido de la mezcla. De esta forma se evita el inconveniente de la detonación pudiendo usarse combustibles muy variados y por otro se evita un inconveniente de muchos motores Diesel asociado con la calidad del encendido de la mezcla y la posterior formación de hollín y material particulado.
Motores de carga estratificada también suelen diferenciarse por la forma de inyección en directa e indirecta.
EJEMPLOS
FSI son las siglas de Fuel Stratified Injection (en castellano, "Inyección Estratificada de Combustible") que ha sido concebida por la marca alemana Bosch, y es una tecnología aplicada a motores alimentados por gasolina utilizados en automóviles que aumenta su potencia y su par motor, y los hace un 15% más económicos, a la vez que reduce las emisiones contaminantes.
En dichos motores, el combustible es inyectado directamente en las cámaras de combustión por unos inyectores situados en un lado del cilindro, los cuales reciben la gasolina gracias a una bomba de alta presión accionada por el árbol de levas y a un sistema common rail (conducto común). Estos dosifican el combustible con una presión que puede llegar hasta 110 bares (1600psi).
En esta situación, el aire aspirado en la etapa de admisión va forzosamente hacia las cámaras de combustión y la cabeza de cada pistón. En función de la posición de la válvula de mariposa de admisión de aire, el motor dispone de dos diferentes modos de funcionamiento, que son la clave definitiva para la versatilidad que proporciona el sistema FSI: la alimentación por mezcla homogénea o estratificada.
Según la situación de carga del motor y la posición del acelerador, la electrónica del motor activa la modalidad más conveniente en un momento dado, sin que el conductor lo note ni tenga que intervenir.
En un sistema convencional de inyección, el colector alimenta constantemente la mezcla a presión con 14,7 partes de aire por una de gasolina. El motor emplea esta mezcla homogénea cuando el conductor solicita mucha potencia.
En condiciones de máxima carga o elevado régimen, el combustible es inyectado en sincronía con la fase de admisión, y las cámaras de combustión son llenadas de forma homogénea con la mezcla que hará explosión.
Gracias a la gran precisión de la inyección, a la finísima pulverización del combustible y a la refrigeración interna cuando se difumina el combustible en la cámara de combustión, el motor FSI permite una compresión más elevada que los motores con inyección convencional en el colector, lo que proporciona más efectividad termodinámica.
Esto quiere decir que, alimentándolo homogéneamente, el motor consume menos combustible y le permite contar con más potencia.
Modos de operación
Las principales ventajas de un motor de FSI son el aumento de la eficiencia del combustible y de la potencia. Los niveles de emisión también puede ser controlados con mayor precisión con el sistema GDI. Los citados son los beneficios obtenidos por el control sobre cantidad de combustible y los tiempos de inyección, que varían de acuerdo a las condiciones de carga. Además, no hay pérdidas de la regulación en algunos motores FSI, en comparación con los sistemas tradicionales de inyección de combustible.
La velocidad de giro del motor está controlado por el sistema de gestión del motor (EMS), regulada en función de la inyección de combustible y el encendido estático, lo cual requiere una considerable mejora de su procesamiento y memoria. Este sistema, que está continuamente operativo, selecciona el modo de operación idóneo en función de las condiciones de carga del motor:
Combustión con mezcla pobre: el EMS selecciona este modo cuando las condiciones de carga del motor requieren poca o nula aceleración. El combustible es inyectado en las últimas fases de la etapa de compresión, de modo que se encuentra muy cerca de la bujía, mientras que en el resto de la cámara se encuentra el aire aspirado. Debido a esto, a la posición en diagonal de la mariposa de admisión y al diseño de la cabeza del pistón, el aire ha experimentado un impulso de rotación orbital, denominado en inglés "tumble". Este curioso movimiento es lo que permite realizar la estratificación de la mezcla en la cámara de combustión. La combustión tiene lugar en un toroidal (en forma de donut) en una cavidad de la superficie del pistón. Esta técnica permite el uso de mezclas extremadamente precisas imposibles de obtener mediante carburadores convencionales, empleando proporciones de aire-combustible en la mezcla de 14'7:1.
Combustión para plena potencia: el EMS conmuta a esta modalidad en condiciones de alta o máxima carga. Se inyecta una mezcla más rica de aire-combustible en los cilindros para evitar que el motor pierda rendimiento y garantizar un funcionamiento uniforme por parte de éste, sin "golpes" bruscos.
Turbo inyección estratificada
Turbo inyección estratificada o TSI (por sus siglas en inglés, Turbocharged Stratified Injection; traducible también como inyección estratificada turbocargada) es un tipo de motor a gasolina utilizado en automóviles del Grupo Volkswagen. El objetivo de esta tecnología es tener motores con una cilindrada más pequeña, que a diferencia de los motores con cilindrada más grande, tienen un menor consumo de combustible en combinación con una potencia mayor y par más alto. Un motor a gasolina de inyección directa se acopla a un turbocompresor o a dos distintos alimentadores. El primer motor TSI fue un motor 1.4 litros doblemente sobrealimentado en el año 2005. A esta tecnología de motor únicamente Audi la denomina TFSI (siglas de Turbo Fuel Stratified Injection). La tecnología equivalente al TSI en los motores diésel se conoce como TDI.
Funcionamiento
El motor TSI es un motor a gasolina, y con la peculiar característica de tener tanto un compresor volumétrico, independiente de los gases post combustión (ya que esta acoplado directamente al cigüeñal), como un turbo en el mismo motor. El TSI es un motor polivalente, tiene un alto par tanto en bajas revoluciones (cuando el coche sale) como en altas revoluciones (cuando ya tiene velocidad), lo que hace que el conductor tenga siempre una respuesta instantánea al acelerar . Una Turbina (Turbo compresor) opera óptimamente en un rango bajo-medio-alto de revoluciones del motor junto con la inyección estratificada que proporciona la unidad de control electrónico (ECU) que se encarga de administrar el momento de actuación de cada componente de sobrealimentación.
En el rango bajo-medio-alto el Turbocompresor es el que suministra la sobrealimentación , lo que nos da como resultado una curva de par muy plana tanto a bajas como a altas vueltas (RPM) , que puede lograr aprovecharse eficientemente con una transmisión manual o de doble embrague brindando una entrega de potencia contundente y constante teniendo como resultado una potencia bastante elevada, mucho mejor que los motores sobrealimentados con un turbo de geometría fija , añadiendo también una mejora en la reducción del consumo de combustible y por ende la disminución de gases contaminantes al ambiente. Basta decir que de este motor se obtienen potencias elevadas que pueden resultar efectivas para algunos tipos de vehículos.
Twincharged Stratified Injection
Con la Twincharged Stratified Injection se utilizan dos cargadores. El primero es un cargador de pistones rotativos mecánico (compresor) en el principio de Roots que bajo rangos de velocidades (listo a partir del régimen de ralentí) comprime el aire aspirado. A partir de un número de revoluciones de cerca de 2000 por minuto entonces una válvula reguladora controla la contribución del compresor a la carga. Adicionalmente es aquí cuando comienza la compresión a través de los dos cargadores, un turbocargador de los gases de escape, que asume por sí solo la carga del motor a unos 3500 RPM. El compresor se separa después por medio de un embrague electromagnético.
Con esta tecnología se omiten las mayores desventajas de ambos cargadores:
- El "hueco en el turbo" del turbocargador de los gases de escape que en revoluciones bajas se subsana con el uso del compresor.
- El compresor se separa a revoluciones bajas del cigüeñal y por lo tanto ya no retira potencia del motor.
De forma similar se utilizó la carga combiana de un motor a gasolina con un compresor y un turbocargador ya en los años 1980 en los vehículos de la serie 200 de los vehículos de Rally del Grupo B Lancia Delta S4.
Turbocharged Stratified Injection
Mientras que VW originalmente solo vendía bajo la denominación TSI los motores doblemente turbocargados mencionados arriba (Twincharged Stratified Injection), se continuó ofreciendo como tal también a los anteriores modelos con motores turbocargados de inyección directa de gasolina como Turbocharged Stratified Injection (TSI) desde los modelos 2008. También se basaron nuevos motores en nuevas arquitecturas de construcciones de motor, que entre otras cosas, equipan a través de una cadena de control una correa dentada así como disponen de una bomba de aceite reglada.
Con esta tecnología Volkswagen dejó de contar con carga estratificada, y ahora la abreviación TSI o TSFI son solo marcas comerciales. Entonces a finales de 2005 se cambiaron los motores atmosféricos 1.6 FSI y 2.0 FSI de carga estratificada de funcionamiento de cargas parciales a estos de funcionamiento homogéneo convencional. Con ello se omite también el previamente imprescindible catalizador de almacenamiento de óxido nítrico.
Apuntes "Eficiencia en Motores"
http://www.angelfire.com/planet/motorinfo/motor_carga_estratificada.html
https://www.mecanicoautomotriz.org/773-manual-mecanica-automotriz-motores-carga-estratificada
https://es.wikipedia.org/wiki/FSI
https://es.wikipedia.org/wiki/Turbo_inyecci%C3%B3n_estratificada
Carga estratificada (Automoción) © https://glosarios.servidor-alicante.com
