Reinventando el motor diésel para tractores agrícolas
¿Hacia dónde están derivando los desarrollos de los motores que mueven nuestros tractores? ¿Se volverá a la gasolina, o el diésel seguirá mandando en la agricultura o será, en cambio, el metano la fuente de energía? ¿Se impondrán los motores con cilindros ‘a la carta’ o será la distribución y la relación de comprensión variables la moda en los próximos años?
La revolución que se viene dando en los motores de combustión
¿Cuál es la solución para el futuro inmediato? Pasa por mejorar los actuales motores de combustión. En un futuro algo más lejano ya se verá qué se nos ocurre durante esa hipotética transición a otros modelos en la generación de potencia.
Hoy y mañana, las mejoras vendrán desde diferentes vertientes de desarrollo, aunque la principal estará obligada por la reducción del consumo a la vez que se bajan las emisiones contaminantes. Pero no deja de ser curioso cómo algunas de estas mejoras ya estaban en ‘papeles antiguos’ y solo hoy, en el estado actual de la tecnología, se nos permite implementar aquellas soluciones. Y es que a veces los desarrollos no se implementan porque el estado de la tecnología no lo permite. Los procesos productivos actuales y, por supuesto, la electrónica permitirán acometer los nuevos diseños que normalmente son más complicados pero sin perder fiabilidad.
A continuación expreso la que es mi idea sobre las líneas principales de desarrollo del motor en el presente y futuro inmediato.
Reducir emisiones, sí o sí
¿Diésel, gasolina o metano?: Hoy por hoy, el diésel sigue siendo el combustible de la agricultura. Es cierto que la normativa antiemisiones lo ataca especialmente, siendo en la actualidad su mayor problema. Pero los fabricantes lo han ‘digerido’ bien y consiguen los niveles estipulados aunque con un sobrecoste innegable.
El futuro inmediato sigue obligando a rebajar el nivel de partículas expulsadas (material particulado, PM) así como las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) A cambio, no se olvide, un diésel emite menos dióxido de carbono (CO2) que un gasolina y que es este gas el principal causante del efecto invernadero.
La gasolina, desde el fin de la II Guerra Mundial, ha dejado de usarse para mover motores pesados. Sin embargo, hay fabricantes, por ejemplo Mazda, que investigan en la idea de ofrecer un motor de gasolina pero en el cual el encendido se produzca por compresión de la mezcla. La ventaja es que la gasolina produce menos PM y gases NOx y además se eliminan, o reducen, las pérdidas por bombeo.
Yo todavía no lo veo, pero sí es cierta una tendencia y por eso hago esta reseña. Si hasta hace pocos años la tendencia era que los diésel tuviesen prestaciones cercanas a los de gasolina con un consumo menor y de un combustible más barato, por lo que la venta de turismos diésel llegó a superar a los de gasolina; hoy esa misma proporción se está dando la vuelta.
Insisto que yo aún no lo veo en el sector de tractores, transporte pesado y obras públicas. Y no lo veo porque hay razones poderosas para no verlo: el menor consumo; la mayor longevidad por ser un bloque más resistente; la forma que tiene de entregar la potencia hace al gasóleo insustituible en el tractor.
Un camino común para los desarrollos del motor diésel: Si tradicionalmente al diésel se le achacó de ‘ruidoso’ y de ‘humos negros’ desde que en 1893 Rudolf Diésel lo inventara para MAN, el motor a gasóleo ha evolucionado mucho y para bien. Para superar las asignaturas pendientes del diésel, los fabricantes han trazado un camino prácticamente común y que consiste en contar con un costoso catalizador (fabricado a base de metales ‘caros’ como platino, paladio y rodio), un sistema ‘reductor’ a base de introducir amoniaco en el sistema de postratamiento de gases de escape y, según tecnologías, contar con filtros de partículas diésel DPF y los sistemas de recirculación de gases de escape (EGR)
Reducción de tamaño o ‘dowsizing’
¿Ha mirado últimamente los catálogos de los tractores? ¿No le ha extrañado comprobar como casi todos los fabricantes están reduciendo el cubicaje de sus motores? Si compara dos catálogos separados por unos 10 o 15 años comprobará cómo se han reducido las cilindradas en los últimos años. Es el denominado ‘dowsizing’ o ‘adelgazamiento del motor’.
El adelgazamiento es considerado por la mayoría de los fabricantes condición indispensable para reducir el consumo, así como las emisiones. Motores más pequeños pero que con la etiqueta de ‘más evolucionado’ consiguen las mismas cifras, o superiores, de potencia y par que sus predecesores.
Hoy los motores ‘han perdido cilindros’, y han disminuido cilindrada, pero han igualado o aumentado potencia. Esto se ha conseguido en base a desarrollar algunos componentes, como distribución variable, colectores de admisión variable, gestión electrónica inteligente, sobrealimentación a la demanda…
De 2000 a 2017: Si hace apenas 10 años un tractor cubicaba 1.000 a 1.150 cm3/cilindro, hoy un tractor similar no pasa de 850 cm3/cilindro. Si ayer se necesitaban 45 y 50 cm3 para obtener un caballo de potencia, hoy con 30 cm3 tenemos suficiente.
Mejora de la inyección y combustión
La hibridación en los motores irá aumentando su cuota. Incluso ya sabemos de al menos dos fabricantes punteros con tractores 100% eléctricos. Todo eso está bien, pero la combustión interna es insustituible en el futuro inmediato. Lo que hay que hacer es mejorar el proceso.
Parece que ‘todo hijo de vecino’ trabaja en motores cada vez más pequeños, en la búsqueda de una relación óptima entre prestaciones y consumos en base a la sobrealimentación para alcanzar los compromisos de la Euro VI mediante catalizadores adicionales, en generalizar la regeneración de energía en frenadas, así como los sistemas de parada y arranque automático del motor. A pesar de todo eso, los fabricantes no pueden olvidar el camino ‘directo’, y que es mejorar hasta la excelencia la inyección y la combustión.
Combustión: La idea es conseguir el motor ‘cuasi-adiabático’ o aquel motor en el cual las pérdidas energéticas por la transferencia de calor entre la cámara de combustión y el exterior se minimicen hasta casi anularse.
Inyección: Con las excelentes prestaciones actuales de los diésel debido con inyección directa, los inyectores multipunto y a la alta presión del sistema common rail (en torno a los 2.000 bar) se agotan, creo que de momento, las evoluciones por ese camino. Pero es cierto que aparecen otras líneas de investigación. Concretamente, BMW ya tiene motores, eso sí de gasolina, en los cuales inyecta agua en el colector de admisión y en la cámara de combustión. La idea es que el agua absorba calor por su paso de líquido a gas. Esto provoca una mayor estabilidad en la explosión y permite emplear una mayor relación de compresión, ¡hasta 11 a 1! (lo normal es 9,5 a 1) y además también reduce emisiones.
Turbocompresor
A día de hoy, son ya pocos los tractores a partir de 60 CV que lleven motores atmosféricos. Las bondades del turbo son de sobra conocidas y asumidas, por lo que solo resta eliminar sus inconvenientes y que en realidad se queda ‘en uno’ que es el retraso en la entrega de potencia.
Efectivamente, la respuesta del turbo es diferente según lo sea el régimen del motor. Es el denominado retraso o ‘lag’. La solución pasa por diseños con motores biturbo o el uso de turbos de geometría variable (VGT) o el uso de turbos eléctricos o incluso utilizar aire comprimido. Todas ellas son soluciones que reducen la demora en la respuesta a la entrega de potencia.
Varios turbos: Cuando se usa un turbo ‘grande’, el mayor inconveniente es la propia inercia del conjunto (diámetro y peso de la turbina) A mayor inercia la respuesta del turbo se hace con más retraso. En la actualidad se tiende a turbocompresores más pequeños o bien a montajes (a veces en serie y a veces en paralelo) de turbos de diferente tamaño. Por ejemplo, se puede sobrealimentar un motor con dos turbocompresores conectados en serie, uno con geometría variable (para bajas y medias cargas) y otro de geometría fija (para cargas altas).
Geometría variable: Los denominados turbos de geometría variable (VGT) son aquellos en los cuales los álabes de la turbina son móviles permitiendo que a cualquier régimen el trabajo del turbo ‘sea lineal’.
Turbos de geometría variable (VGT).
Turbo usando impresión 3D: A un fabricante como Koenigsegg se le pueden ocurrir muchas cosas, pero seguro que además sus diseños siempre destacan por su originalidad. En este caso, ha diseñado un turbo que le llama Twin-Scroll. Lo fabrica en titano y mediante impresión 3D. En realidad es un diseño simplista pero muy efectivo. Se trata de crear un doble conducto para dirigir los gases de escape hacia la turbina. Este conducto cuenta en su interior con dos divisiones de diferente diámetro y longitud para canalizar los gases de escape según la carga del motor. Una compuerta es la encargada de activar un conducto, o los dos, consiguiendo así que la turbina siga recibiendo la suficiente presión de gases de escape, incluso cuando la carga del motor es muy baja. Con este diseño se intenta conseguir las ventajas del turbocompresor de geometría variable, pero sin su complicación técnica. (Foto 7)
Turbo de Koenigsegg realizado con impresión 3D.
Turbo eléctrico: También denominado turbo ‘híbrido’. Es actualmente el ‘que más promete’ en la optimización en el retraso de respuesta. Con este diseño se combina un turbo tradicional con un motor-generador eléctrico. Si la turbina no tiene suficiente caudal de escape, entonces el compresor toma la energía de la batería.
Electrificación: En los nuevos desarrollos, los componentes eléctricos toman mucho protagonismo con una tendencia clara a la desaparición de ‘correas y engranajes’ moviendo componentes auxiliares. La gran ventaja de la opción de las instalaciones eléctricas —parece que los 48 V son la tensión elegida— reside en la eliminación de la complejidad mecánica, pero también en la independencia del trabajo a las revoluciones del cigüeñal. Además del turbo, otros componentes como la bomba de agua, de aceite o el compresor del aire acondicionado pasarán a moverse con ‘voltios’ y ‘watios’.
Aire comprimido: Es una solución desarrollada por Volvo en sus nuevos motores diésel, el denominado PowerPulse. Se trata de que un compresor de aire convencional toma aire de la admisión, lo comprime y después lo almacena en un pequeño tanque que guardará una reserva de aire comprimido. Si se acelera de forma súbita, el PowerPulse inyecta el aire comprimido almacenado sobre la turbina de escape acelerando su giro de forma casi instantánea.
¿Compresor o turbo? ¿Conoce la diferencia?: El concepto de ambos es el mismo, introducir más aire a presión en el motor; sin embargo, funcionan de forma diferente. El compresor mecánico está conectado a través de una polea al cigüeñal del motor. A mayor régimen de giro entregan más potencia porque la cantidad de aire que pasa por el compresor es función directa de las revoluciones. El compresor es más barato que el turbo y, sobre todo, no tiene retraso en la entrega de la misma. Tampoco necesita intercooler. Sin embargo, su desventaja está en su propia naturaleza, porque ‘crea potencia tras robarla’; es decir, es un mecanismo ‘parásito’ del propio motor.
El turbo o turbocompresor se alimenta de los gases de escape y su gran ventaja es justo esa, alimentarse de aquello que ya se iba a perder de todos modos. Además, es mucho más compacto y ligero que el compresor. Sus desventajas están en el retardo y en la generación de mucho calor.
Cruce de válvulas y distribución variable
El ‘cruce’ lo determinan los árboles de levas y según se diseñe se determina el comportamiento y carácter de ese motor. Lo que pasa es que en ese diseño se adopta una solución de compromiso porque en ocasiones interesa un mayor cruce y en otras que este sea menor. Pero, ¿y si se busca siempre el óptimo?
Lo ideal sería que el motor pudiese entregar la máxima potencia a cualquier régimen. Esto se puede conseguir con sistemas de distribución variable.
La distribución variable se implementa a través de un sistema CAN-BUS que gobierna el avance o retraso del motor en función de las revoluciones del motor, la posición del acelerador y otros parámetros.
Compresión y cilindrada variables
Relación de compresión: La relación de compresión es un parámetro muy importante para el rendimiento de un motor. La relación de compresión es la proporción en volumen que se comprime la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión del cilindro. Mayores relaciones de compresión favorecen el rendimiento, pero con peligros en determinados límites. Lo ideal sería poder cambiar la relación de compresión según condiciones de giro y presión de soplado del turbo.
Ya hay motores -de gasolina, pero los hay- capaces de variar su compresión volumétrica entre 8 y 18 a 1. La idea no es nueva, pues incluso el desparecido Saab en 2002 patentó el diseño pero el ‘invento’ era caro.
¿Cómo se consigue variar la relación de compresión? Hay que conseguir que el volumen desplazado por cada cilindro sea variable. Es decir, la posición del punto muerto superior (PMS) y punto muerto inferior (PMI) deben ser variables. Una de las formas de conseguirlo es con una doble culata (Saab) o bien conectar pistón y cigüeñal a través de un ‘rombo’ (multi-link le llama Infiniti) para variar el brazo de palanca.
En motor diésel se tiende a bajar la relación de compresión e incluso se llega a igualar con los límites ‘altos’ de los gasolina (14 o 15 a 1) Con esto se bajan los gases NOx contaminantes y se puede abaratar el catalizador reductor (AdBlue)
Cilindrada variable: Es la opción de algún fabricante, como por ejemplo Honda. Son motores capaces de modificar la cilindrada en función de la demanda de potencia.
‘Tan raro’ objetivo se consigue variando la longitud recorrida por el pistón entre el PMI y el PMS. La patente de Honda habla incluso de hasta 15 cilindradas diferentes para su ‘invento’.
Cilindros a la demanda: ¿Y si se pudiese disponer de un 6 cilindros cuando necesito toda la potencia pero bajar a un 4 o un 3 cilindros cuando no es así? Se trata de una solución ya implementada en coches de calle.
Mediante un sistema automático, es decir con muchos sensores (par demandado, posición del acelerador, temperatura motor, relación de transmisión…), se alimenta de información a un miniordenador que decide con cuántos cilindros funcionar. El sistema consigue variar la distribución permitiendo cerrar las válvulas de admisión y escape de unos cilindros mientras el resto continúa igual.
Mientras un motor convencional dispone de unas levas de válvulas de forma ‘excéntrica’ y así poder variar el alzado de válvulas, en el caso de cilindros desconectables se dispone de una sección ‘extra’, leva 0, que no llega a empujar las válvulas y permanecen siempre cerradas.
Es cierto que el árbol de levas se complica un poco, ya que en cada leva se mecanizan dos perfiles, el convencional que actúa sobre los empujadores, y el ‘ahorrador’ que solo rueda, sin llegar a presionar a los empujadores, pero los beneficios son muchos. El sistema es muy rápido y en tan solo unos milisegundos los actuadores electromagnéticos engranan una u otra posición en apenas media vuelta del árbol de levas.
Pistones opuestos
El motor en sí es como uno tradicional, cuatro tiempos, cilindros y pistones… pero si en el motor tradicional a tantos cilindros los mismos pistones, en este caso por cada cilindro hay dos pistones, uno en cada extremo. Por lo tanto, ‘no hay culata’ y la inyección de la mezcla aire-combustible se produce por los lados del cilindro y no por la cabeza.
Mientras un pistón baja, el otro sube, con lo cual se comprime la mezcla y se produce la explosión y entonces, ¡ambos pistones se mueven haciendo trabajo! Los beneficios además hay que encontrarlos en el ahorro: culata, válvulas, árbol de levas…
