El motor de mezcla pobre: a modo de definición.
Se denomina motor de mezcla pobre (
lean burn) a aquel motor de combustión interna alternativo en el que la mezcla combustible-aire no es necesariamente estequimétrica (o sea, que no siga una proporción óptima de componentes químicos para la combustión) de aire y combustible. El motor de combustión interna de mezcla pobre más antíguo es el diésel, el cual es un caso particular, ya que no necesita de chispa para "encender" la mezcla.
El sistema de mezcla pobre es una manera de reducir las denominadas "perdidas de energía por bombeo" de forma no científica. En los motores de gasolina (que es el caso que nos ocupa para el K Series) se dosifica la relación de la mezcla combustible aire mediante una válvula de mariposa o una guillotina (aunque hoy en día existen sistemas bastante extraños mediante electroválvulas y otras zarandajas), que restringen la cantidad de aire que llega a los cilindros. Esto obliga al motor a realizar un sobreesfuerzo para succionar aire, lo que produce dichas pérdidas "por bombeo", que no son más que un aumento de pérdidas por diferencia de presiones y viscosidad del fluido, dando en consecuencia un mayor consumo (en realidad, una menor eficiencia de uso) del combustible, teniendo en cuenta que la relación del consumo en función de la potencia no es una función lineal, quede muy claro que se trata de una función exponencial.
¿Por qué la relación combustible-aire debería ser estequiométrica? La respuesta a esta pregunta tiene dos vertientes: con exceso de aire, la chispa de la bujía podría no prender la mezcla, mientras que con exceso de combustible, tiraríamos parte del combustible sin haberlo aprovechado. Lo que el motor de mezcla pobre trata de crear es una cultura no de ahorro de combustible (aunque lo consigue), solo trata de sacar el máximo partido posible a cada fracción de combustible, ya que un motor tradicional está diseñado y dimensionado para proporcionar la potencia deseada para la aceleración que se busca (o sea, a potencia máxima y con par mácimo), pero también debería operar bien en ese 99% de casos en que tendrá que trabajar por debajo de esa condición: donde un motor tradicional está tirando combustible, el motor de mezcla pobre está aprovechándolo al máximo, ya que si la relación combustible-aire se reduce (o sea, utilizamos menos oxígeno en la mezcla), se puede conseguir menos potencia de forma mas eficiente durante la conducción normal. En conclusión, un motor de mezcla pobre consume menos, pudiendo enriquecer la mezcla a placer cuando se le pide más potencia.
Para entendernos, cuando quemas un combustible que es un compuesto de Hidrógeno y Carbono, los productos que produces de forma natural son dióxido de Carbono y Agua, ambos componentes inertes. La cantidad de CO2 (dióxido de carbono) es directamente proporcional a la cantidad de combustible consumido. En el caso de la gasolina, la relación estequiométrica entre aire y combustible es de
14,5:1, caso en que hay suficiente oxígeno para combustionar todo el combustible que es el que conriene la energía. Si aumentamos la cantidad de combustible (o sea, que no hay bastante oxígeno para consumir todo el combustible) no habra suficientes moléculas de oxígeno para formar CO2 y comenzaran a aparecer moleculas de CO (monóxido de carbono), componente con el que tendrá que bregar el catalizador. Y cuando arrancamos en frío, el catalizador tarda unos 90 segundos (hoy en día ya no suele ocurrir, pero era antíguamente lo habitual) en funcionar al cien por cien para eliminarlo. Hoy en día, con conversores catalíticos como el del K Series, los gases de escape suelen estar más limpios que el propio aire de las ciudades en que vivimos.
Esquema de funcionamiento electromecánico de un motor de mezcla pobre.
Para ello, los motores de mezcla pobre pueden emplear mayores relaciones de compresión (aunque no tienen por qué ser mucho mayores en el caso de los de ciclo de Otto) para dar mejores prestaciones (aunque deberíamos decir "más estables" o "más lineales"), un mejor y mas eficiente uso de los combustibles y un menor índice de emisiones de hidrocarburos que en los motores convencionales. Quede claro en este punto que las mezclas "ultrapobres" con unas relaciónes combustible-aire más radicales (cada vez mas cercanas al 1:1) solo pueden ser conseguidas por motores de inyección directa de combustible, caso que no es habitual para la gasolina por su complejidad.
Diagrama de flujo del funcionamiento electrónico del sistema de gestión de un motor de mezcla pobre.
El fallo principal de la mezcla pobre (siendo su mayor ventaja en el tema que ahora exponemos la reducción drástica de emisiones de COx) es el aumento de producción de NOx, lo que exige un sistema de conversor catalítico distinto del de tres vías tradicional. Este requerirá un sistema que controle la emisión de contaminantes en el escape para llevar a cabo reacciones de oxidación y reducción simultáneas que lo eliminen. Es este hecho (unido a la incapacidad de ciertos fabricantes para mentalizarse de que un sistema de conversor catalítico de este tipo ahorra dinero al comprador y, con el tiempo, al fabricante) el que hace que pocos fabricantes fabriquen motores de ciclo de Otto de mezcla pobre.
K Series Lean Burn Tecnology.
El motor K series ha creado una escuela con la técnica hoy más utilizada para los motores de mezcla pobre que siguen el ciclo de Otto (o sea, que consumen gasolina):
el sistema de Mezcla Estratificada. Este sistema consiste en tener dentro del cilindro, a la hora de encender mediante chispa, varias zonas con diferente proporción de mezcla combustible-aire, estando más cercana a la bujía aquella "capa" que tiene más combustible en relación al oxígeno. Ahora sí, donde (en el caso de los diésel) hay un inyector en la cámara de combustión, el K Series utiliza un sistema en que el inyector está practicamente (no físicamente, nos referímos en cuanto a presión) justo a la entrada del cilindro tras la válvula de admisión, de tal forma que la "nube" de mezcla combustible aire pase ante la bujía en el momento de hacer saltar la chispa.
La idea detrás del concepto
lean burn de los ingenieros de Austin Rover que comenzaron con el proyecto K Series (y que se ha conseguido de forma ejemplar) es operar a "media carga" (o sea, con el motor trabajando a menos de la eficiencia máxima teórica, entendiendo esta como máxima potencia-máximo par-pedal al fondo) de una manera en que la eficiencia termodinámica de ese motor de gasolina se aproxime al máximo a la eficiencia termodinámica de un motor de ciclo de Diesel (en el que, recordemos, se utiliza como combustible un aceite cuyo potencial termodinámico es muy superior al de la gasolina, ya que es un 13% más denso que ésta y teniendo en cuenta que compramos el combustible por volumen, no por cantidad de Carbono e Hidrógeno). Así pues, la eficiencia termodinámica de un K Series a plena carga (par máximo-potencia máxima) es de un saludable 33% frente a un 40% de los mejores motores diésel. A media carga (o sea, en conducción normal), la teórica ventaja del diesel no es tal, ya que mientras que su eficiencia termodinámica es mejor (pero solo debido a la mayor eficiencia termodinámica del gasóleo), la energía calorífica desarrollada (o sea, la cantidad de energía por kilogramo de combustible consumido) es prácticamente la misma en un K Series que en uno de los mejores diésel del mercado. Y teniendo en cuenta que hay un límite al número de automóviles diesel que pueden consumir gasóleo (cuando se realiza el craqueo del petróleo se produce tres veces más cantidad de gasolina que de gasóleo), tiene su lógica diseñar un motor de gasolina así, ya que alguien tendrá que seguir usando gasolina.
Quede claro que cuando hablamos de "eficiencias" tan bajas (33% en el K series, 40% en un buen diesel, 27% en un gasolina normal, etc...), ninguno deberemos asustarnos: solo en el mejor de los casos aprovecharemos la tercera parte de la energía del combustible utilizado para propulsar al vehículo, ya que alrededor del 20% se disipa en el circuito de refrigeración y la mayor parte del resto se escapa por (valga la redundancia), el tubo de escape.
Volvamos al tema del NOx producido en este tipo de motores. Y es que a altas temperaturas (las de operación del motor, por ejemplo), el nitrogeno molecular en el aire se disocia o se rompe para combinarse con el oxígeno y formar ese asqueroso producto (el NOx) que produce asma y otro gran número de enfermedades, contamina el agua y la tierra y, en definitiva, es un mal bicho. Hasta hoy, los burócratas que crean normativas anticontaminación en Europa (parece que en los Estados Unidos de América son más listos que nosotros en este tema) se preocupan más del CO2 (un contaminante natural), que de los compuestos de Oxígeno y Nitrógeno, pero aún así, con su magnífico sistema de conversor catalítico y su tecnología investigada por ingenieros de verdad (de los que saben, no de los que sacan títulos), tiene unas emisiones tan ridículas que se puede decir que lo que sale por el tubo de escape es más limpio que el aire puro (de no ser por la falta de oxígeno, sería perfectamente respirable).
Para terminar, hay que decir que Ford (no nos extrañe, son americanos y estaban obligados), Peugeot (y PSA en su conjunto) y Rover fueron los únicos fabricantes que se gastaron los dineros en investigar la tecnología de los motores de mezcla pobre de gasolina (curiosamente, ningún fabricante alemán se ha molestado hasta 2006), con lo que os podeis hacer una idea de que fabricantes han puesto el grito en el cielo con las nuevas normativas europeas EUROIV y EUROV, que están o estarán en vigor y que a más de uno ha pillado desprevenido (y que por tanto, se queja de lo poco que le quieren y de lo poquito que se queja).
El desafío EUROIV para el K Series.
Los trabajos en el motor K Series EUROIV estaban magníficamente avanzados en la época del colapso de MG Rover Group en Abril de 2005, con muchos motores en venta que ya cumplian la norma de sobra, incluyendo el 1.8 litros del MG TF, ya fuera el inyección multipunto o el VVC. En esencia, los motores K Series solo requerían una ligera modificación del software de la ECU y algún hardware electrónico adicional, teniéndose previstas algunas modificaciones muy interesantes en la admisión de los 1.8 no VVC que montarían los MG. De acuerdo con ciertas fuentes (entre ellas, algunas citadas por
http://www.austin-rover.co.uk) un sistema
"dual cam phasing system" (sistema de cambio de fase de doble árbol) estaba siendo desarrollado, utilizando un mecanismo muy similar al VVC pero con un funcionamiento más cercano al Bi-Vanos de BMW. Este sistema sería más sencillo que el VVC y permitiría a los K Series, por poner un ejemplo, de 1.8 litros, pasar de 120 bhp a unos saludables 140 bhp.
Y, siguiendo el camino de Land Rover para el motor K del Freelander, Powertrain estaba diseñando una nueva junta de culata de acero multicapa unida a un rail de aceite inferior nuevo que eliminaría de una vez por todas el miedo a la rotura. Pero esa será otra historia de esta serie.
Texto original (HMS45)
