Estudio de las modificaciones de un motor DI para su utilización en competición Introducción
Juan Norverto Moríñigo
Ingeniero de I.C.A.I., especialidad mecánica, promoción del 89. He trabajado en Nissan Motor Ibérica de 1989 al 2000 en departamentos de diseño y de producción. He cursado la primera edición del Máster de Automoción de la UPM. Profesor y director de proyectos fin de curso en el I.C.A.I. y en la Universidad Carlos III. Director de desarrollo de filtros de combustible combustible en Robert Bosch, división de gasolina.
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El ser humano se ha diferenciado siempre del resto de los seres vivos por su capacidad de raciocinio, raciocinio, su inteligencia inteligencia y su capacidad por aprender aprender y mejorarse así mismo. mismo. Sólo dentro de este afán de superación tiene sen tido hablar de “competición “. La competición está presente en cada aspecto de de la vida vida humana, humana, y por supuest supuesto, o, la competición en el mundo del automóvil no iba a ser menos. En términos generales definiremos el motor de carreras como un motor de combustión interna, basado en los los mismos principios en que se fundan los motores empleados como equipos de serie de los automóviles automóviles clásicos; diferenciándol diferenciándolos os de éstos únicamente únicamente el hecho hecho de que, para una misma cilindrada, cilindrada, el motor de competición desarrolla una potencia muy superior debido a que éste trabaja sometido a índices de compresión y regímenes de giro más elevados que los motores de tipo comercial. Para obtener estos elevados incrementos en los factores de potencia y régimen, régimen, los motores empleados en carreras deben poseer la totalidad de sus órganos móviles construidos de forma forma más sólida sólida y ligera, así como elementos auxiliares más perfectos que los empleados en la fabricación de mo tores en serie. serie. Lo mismo ocurre ocurre con el resto de mecanismos y accesorios complementarios, lo cual encarece notableme notablemente nte el costo de estos motores deportivos. También gran parte de los elementos fi jos deben ser mejorados en los motores de
anales anales de mecáni mecánica ca y electrici electricidad dad.. Enero-F Enero-Febr ebrero ero 2002 2002
competición al objeto de poder soportar los excesos de fatiga a que se hallan some tidos.
Objetivos El objetivo del siguiente trabajo es estudiar las distintas modificaciones a las que se puede someter un motor de combustión interna alternativo (MCIA), (MCIA), alimentado alimentado con combustible bustible Diesel, Diesel, de inyec inyección ción directa, directa, sobrealimenta sobrealimentado do y de 2,2 litros, para su aplicación en la competición. Los distintos cambios y mejoras suponen una modificación modificación en el compor tamiento del motor. motor. La dinámica del motor se ve afectada, afectada, así como la fluidodinámica fluidodinámica del mismo, y como resultado, la termodinámica del motor se ve también alterada. Es objetivo de este trabajo justificar y predecir las mejoras que introducen las dis tintas modificaciones que se efectúen en la eficiencia del MCIA como consecuencia de un nuevo punto de funcionamiento del mo tor. El proceso que se lleva a cabo es el siguiente: Recopilación de información y toma de datos de las prestaciones del motor de partida. Recopilación de información de las posibles modificaciones: análisis cualitativo. Toma de decisiones de las modificaciones que se llevarán a cabo. Análisis cuantitativo de las distintas modificaciones. Simulación y análisis final del motor modificado. •
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Una restricción a las que se ve sometido llegar a desarrollar un modelo bastante aproeste estudio es que las modificaciones efecximado y fiable del comportamiento del mo tuadas no deberán ser excesivamente costo- tor mediante el software utilizado. Aquí se sas. El presupuesto final del proyecto no de- muestra un esquema gráfico del modelo creberá ser superior a 5 000 000 pts (30 050,60 ado para el motor de serie: euros). (Coste de Prototipo, no serie). Muchas de las modificaciones que se llevarán a cabo en este proyecto no son susceptibles de ser analizadas cuantitativamente con elevada precisión. Estas modificaciones son simuladas mediante un soporte informático, el programa AVL Boost. Aunque las estimaciones de las mejoras conseguidas son bastante fiables, gracias al modelo previo del motor de serie elaborado, éstas deberían ser comprobadas con medidas reales en bancos de potencia. Si los resultados simulados de algunas de las modificaciones realizadas se desviasen en exceso de la medida real, éstas deberían ser corregidas y vueltas a medir hasta encontrar un valor óp timo. Sin embargo, todas estas operaciones quedan fuera del alcance de este proyecto y se proponen para un estudio posterior. Trabajo realizado
Primeramente era necesario crear un modelo mediante el programa de apoyo en es te trabajo, AVL BOOST, que reflejase fielmente el comportamiento del motor de serie para posteriormente poder analizar los resultados de las diferentes mejoras que se pudiesen introducir en el motor. Para ello es necesario tener un conocimiento casi perfecto de todos y cada uno de los parámetros del motor que se quiere modificar. Aquí se exponen los más relevantes: • Potencia máx………84Kw a 4000rpm. • Par máx……………247Nm a 2000rpm. • Cilindrada…………2184cc. • Sobrealimentación…Turbocompresor. • Intercooler…………Sí. • Combustión………Inyección Directa. • Alimentación………Bomba rotativa VP44. • Inyector……………Centrado en cámara. • Presión de inyección…1500 bares (2 etapas). • Distribución………Cadena. • Árbol de levas……2 en culata. • EGR………………Step motor. • Nivel emisiones……CED III. • Catalizador…………Sí. • Reglaje válvulas………Pastillas calibradas. • Culata………………Aluminio 16v. Así pues, partiendo de estos datos y otros muchos más y de pruebas realizadas en banco de potencia del motor de serie se puede
Si se sigue el recorrido de una molécula de aire, ésta entraría al motor por la parte superior izquierda. Se encontraría con el fil tro y acto seguido atravesaría el compresor del turbo. Seguidamente la molécula de aire se vería enfriada a su paso por el intercooler para dirigirse a los colectores de admisión y de allí a los cilindros atravesando las pipas de admisión.Tras mezclarse con el combustible y sufrir la combustión, la mezcla cederá parte de su alta energía a la cabeza del pistón para impulsarle hacia abajo y poder así mover el cigüeñal. La energía que aún le queda a la mezcla, tras salir del cilindro por los conduc tos de escape, la entrega a la turbina, que mueve el compresor. Si el compresor estuviese ya suministrando la presión suficiente a la admisión, esta mezcla quemada cortocircuitaría su paso por la turbina debido a la apertura de la válvula Waste Gate y saldría al exterior no sin antes atravesar el catalizador y dos equipos de silenciosos. Partiendo de este modelo analizaremos ahora las diferentes modificaciones llevadas a cabo para lograr el aumento de prestaciones deseado. Ajuste del turbocompresor
Se han barajado varias líneas de modificación. Primeramente se ha realizado un estudio del comportamiento del grupo turbocompresor-motor que posee el motor de Estudio de las modificaciones de un motor DI para su utilización en competición
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serie. Lo que se busca es diferentes puntos de funcionamiento del motor a distintos regímenes en el mapa del turbocompresor. De esta forma se es capaz de obtener la eficacia con la que trabaja el equipo de sobrealimen tación en cada punto de funcionamiento real. En el presente caso esta adaptación entre equipo de sobrealimentación y motor está muy conseguida. Por ello se pasa a otra línea de mejora que es la de variar la geometría del turbocompresor. Se han estudiado las posibilidades de otros turbocompresores acoplados al motor de serie analizando sus resultados. Se varían parámetros tales como el TRIM (relación de diámetros de los rode tes al cuadrado) y el A/R que hace referencia a la geometría del órgano difusor (relación de diámetros de la espiral del mismo). Sin embargo, las diferentes geometrías probadas no alcanzan los niveles de efectividad que se conseguían con el modelo previo. Así pues, una modificación que siempre dará resultado, siempre que no sea crítica la presión alcanzada en la cámara de combustión es la de tarar la válvula de apertura de la WASTE GATE a una mayor presión consiguiendo así un aumento del soplado del compresor; lo que se traduce directamente en un aumento de la masa de aire que puede entrar al cilindro, y así mismo aumenta la potencia entregada por el mo tor. Se pasó, por tanto, de una constante elástica del muelle que hace actuar la válvula de 130.000 N/m a 280.000 N/m, con lo que fue conseguido un aumento de potencia de unos 10 Kw. Optimización de la distribución
En este tipo de modificación lo que se busca es ajustar al máximo los movimientos de las válvulas con la idea de que se consiga el mejor llenado del cilindro posible pero sin que se produzca un alcance pistón-válvula.También un aumento del cruce de válvulas del admisión y escape proporcionará un mejor rendimiento del motor a alto régimen. A cambio de estas modificaciones va a disminuir notablemente la vida útil del motor. Disminución de restricciones al flujo
Tanto los conductos de admisión como de escape presentan una serie de resistencias al flujo que crean una pérdida de carga considerable que puede mermar las prestaciones del motor. Debido a la aplicación para la que este motor ha sido proyectado se puede 32
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muy bien disminuir esta pérdida de carga aunque ello implique tanto un mayor coste del motor, como un menor tiempo de vida del mismo. Aquí se muestran las diferentes actuaciones sobre las diferentes restricciones al flujo que ofrece el motor de serie. El filtro de aire convencional es cambiado por otro filtro de alto caudal que presenta una menor pérdida de carga al aire que en tra en los conductos de admisión. Los conductos de admisión y escape son pulidos con el fin de buscar un flujo más laminar que suponga una menor restricción. También se opta por codos menos bruscos. Se eliminan dispositivos innecesarios para la futura aplicación en competición del mo tor como puede ser el EGR (Exhaust Gas Recirculation), el catalizador, la válvula de control de torbellino y los silenciosos. Las mejoras obtenidas por este tipo de modificaciones se calculan por medio del programa de simulación AVL BOOST. Mejora del efecto resonante (efecto RAM)
Se pueden aprovechar los efectos de las ondas de sobrepresión y depresión en el conducto de admisión para mejorar el llenado del cilindro. Cuando se abre la válvula de admisión el aire que hay en la pipa de admisión entra en el cilindro, produciéndose un vacío en la pipa que avanza como onda de rarefacción hasta llegar al colector de admisión, un ensanchamiento, por lo que se refleja una onda de sobrepresión que vuelve aguas abajo hacia el cilindro. Si esta onda llega antes de que la válvula se cierre, se tendrá una cantidad adicional de aire llenando el cilindro. Esta resonancia, por la escasa longitud del sistema, se producirá a regímenes altos, por lo que se hace coincidir con el régimen de potencia máxima para ob tener un mayor valor de ésta. Con ayuda del programa de simulación AVL se es capaz de calcular la longitud que han de tener las pipas de admisión para conseguir este deseado efecto. Modificaciones en la Unidad Electrónica de Control (ECU)
La función más importante que en este caso nos ocupa es el control que posee la ECU sobre el sistema de inyección de combustible. En función de la posición del cigüeñal, la unidad electrónica de control sabe cuándo tiene que dar la orden a la bomba de inyección para que inyecte el combustible
necesario.También gobierna la presión de inyección del inyector y la cantidad de combustible a inyectar. Básicamente son tres los parámetros que más interesan a la hora de obtener la máxima potencia posible del motor: lugar y duración de la inyección, presión de inyección y cantidad de combustible inyectado. En un primer análisis cualitativo se puede afirmar que para obtener una ganancia en la potencia del motor, sobre todo a alto régimen, habrá que: • Adelantar el punto de inyección. • Aumentar la duración de la inyección. • Aumentar la presión de la inyección. • Aumentar la cantidad de combustible inyectado. Todos estos parámetros pueden ser modificados en el modelo creado del motor de serie en el software empleado para la simulación. De esta manera se es capaz de cuan tificar la mejora y comprobar que se trabaja dentro de los límites de seguridad de resis tencia del motor antes de llevar a la práctica dichas modificaciones. Disminución de las pérdidas mecánicas
Una forma de reducir las pérdidas mecánicas y con ello poder transmitir mayor potencia del motor a las ruedas del vehículo, es emplear un aceite de baja viscosidad para la lubricación de los diferentes componentes del motor. La baja viscosidad hace que exista una menor fricción entre los distintos componentes que trata de lubricar el aceite. El aceite aconsejado por el fabricante para este motor es un aceite multigrado 5W30. Sin embargo, debido a una aplicación más severa a la que se va a ver sometido este motor se ha optado por un lubricante de muy baja viscosidad destinado al mundo de la competición como es el aceite multigrado 0W30 SAE CF / SH. Mejora de la refrigeración
Un motor adaptado para la competición va a encontrarse, sin duda, más solicitado. En la cámara de combustión, por ejemplo, se alcanzarán presiones y temperaturas mucho mayores. Es probable que sea necesario un aumento en el caudal del fluido en el sistema de refrigeración. La válvula de “by-pass “ que recircula el agua de refrigeración bien hacia el motor, o bien hacia el radiador, en función de la temperatura de la misma, será innecesaria. El agua de refrigeración siempre se calentará en exceso debido a la carga que está
soportando el motor siempre a alto régimen y a plena carga y, por tanto, siempre habrá de pasar por el radiador. Analizando la bomba de refrigeración que posee este motor de serie vemos que está sobredimensionada. Esta bomba de alimen tación del sistema de refrigeración presenta las siguientes características: • Tipo: Bomba centrífuga. • Caudal: 182 l/min. • Régimen de la bomba: 4200 rpm. La energía por segundo que debe evacuar el agua debe ser del orden del 80% de la po tencia máxima entregada por el motor.También el salto de temperatura no debe ser superior a 10K, debido al material de la culata (Aluminio) que no sopor ta mayores saltos térmicos. Conociendo la máxima potencia que entrega este motor, 138Kw (como se puede apreciar en el apartado de conclusiones), se puede determinar el caudal de agua necesario que ha de suministrar la bomba. m.C.∆T
m=2,64 Kg/s
Así pues, m=158,47 l/min<182 l/min. Por tanto el caudal que actualmente suministra la bomba de agua del sistema de refrigeración es suficiente para soportar las nuevas solicitaciones a las que se hallará sometido el motor. Optimización del intercooler
La misión del intercooler como ya se ha comentado en apartados anteriores es bajar la temperatura de los gases de entrada ya que así aumenta la densidad del aire y es capaz de mejorar el llenado de los cilindros provocando la correspondiente mejora en el rendimiento volumétrico y, por tanto, el aumento de la potencia del motor. Una mejora a efectuar en el motor de serie que ya dispone de intercooler es aumen tar la superficie del mismo mejorando el in tercambio o transferencia de calor o bien situarlo en una zona en la que el aire exterior incida sobre la superficie del mismo con la mayor eficacia posible consiguiendo un mayor enfriamiento del mismo. Las modificaciones son introducidas en el programa AVL BOOST que con una simulación nos muestra la mejora conseguida. Aligerado de masas
El motor de explosión tal y como lo conocemos recibe su potencia a impulsos. El trabajo que de él extraemos no se produce de Estudio de las modificaciones de un motor DI para su utilización en competición
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forma continua. El motor de explosión está Gracias al programa AVL BOOST, muchas diseñado para que trabaje a impulsos. Esta de las modificaciones han podido estimarse característica tan significativa (que diferencia con relativa precisión. Previamente se trabajó a los motores de explosión de los motores en la creación de un modelo para este softeléctricos) hace que el motor Diesel necesiware que reflejase lo más realmente posible te tener varios cilindros. La suavidad con la el funcionamiento del motor de partida del que el motor entrega su potencia está de presente proyecto. Una vez conseguido un acuerdo con el número de cilindros, con el error inferior al 5% entre las prestaciones número de explosiones por ciclo. Con todo, ofrecidas por el motor real (medido en banel motor no recibe tampoco la fuerza sobre co de pruebas) y las prestaciones ofrecidas el émbolo de una manera progresiva, sino por el modelo en la simulación del prograque en el momento exacto de la explosión ma, se puede llegar a la conclusión de que las –máxima compresión– la presión es nueve modificaciones realizadas en el modelo no veces mayor que cuando el émbolo está a provocarán un error mayor del 5% con resmitad de su carrera, por lo que en estos mo- pecto a las mismas modificaciones efectua tores no cabe hablar de suavidad si no utilidas sobre el motor real. zamos masas de inercia que contrarresten Sin embargo, cabe proponer para un esestas fuerzas tan irregulares como despro- tudio posterior, llevar a la práctica dichas porcionadas.Y todos los motores llevan este modificaciones en el motor de serie, medir suplemento de peso en el cigüeñal y en el en un banco de pruebas y contrastar los revolante de inercia. sultados. Si se obra en el sentido de aumentar la Existe un tipo de modificaciones que a potencia por un aumento del giro del motor, pesar de ser propuestas en este estudio no a base de alimentarlo bien, mejores y más di- se tiene una medida cuantitativa del resultarectos escapes y retoques sustanciales en las do de la mejora. Es un tipo de mejora tales válvulas y en el perfil de las levas, entonces sí como: el aligerado de masas o la disminuque se necesita reducir los contrapesos para ción de las pérdidas mecánicas gracias al permitirle al motor una mayor agilidad. empleo de lubricantes de baja viscosidad. A Por el sistema de aumentar las rpm, sí se priori no se puede conocer el grado de puede –y hasta se debe– rebajar la inercia mejora que se alcanzará con este tipo de de las masas, porque un mayor número de modificaciones, si bien sí se sabe por razoexplosiones por minuto determina una manes expuestas en sus respectivos apartados yor regularidad de la marcha; porque el mo- que existe dicha mejora. Para conocer por tor debe tener agilidad para subir de vueltas, tanto estos datos no habría otra opción y porque no subirá de vueltas si no se rebaja que no sea la de llevar a cabo las modificael peso de las masas rodantes en el interior ciones pertinentes en el motor de partida y del motor, las cuales frenan su escalada. posteriormente tomar los datos suficientes El aligerado de masas no es despreciable con el prototipo en un banco de pruebas. en cuanto a resultados. Lo que sucede es Sería difícil también conseguir la mejora de que es muy difícil establecer por medio de cada una de las modificaciones individualcálculos a priori los gramos que hay que remente, pero sí se conocería la mejora de las bajar de cada una de las piezas que forman prestaciones debidas al conjunto de las moparte del tren alternativo. El método a se- dificaciones. guir sería ir tanteando los posibles rebajes Existe otro tipo de modificaciones que se en las diferentes piezas del tren alternativo han estudiado en este proyecto y de las que (pistones, bielas y volante de inercia) e ir se ha estimado cuantitativamente su mejora. comprobando los resultados en un banco Sin embargo, éstas no han podido introducirde potencia. se en el programa AVL BOOST para el estudio de su mejora unidas al resto de las modiConclusiones obtenidas ficaciones, debido a que, o bien el software A lo largo y ancho del proyecto se han esnombrado no disponía de la posibilidad de tudiado multitud de posibles modificaciones introducir dicha modificación, o bien no se a nivel teórico para tratar de incrementar el conocían los datos suficientes para poder inpar, la potencia, el rendimiento volumétrico, troducir la modificación con un mínimo grael régimen de giro… de un motor de comdo de éxito. Este tipo de modificaciones son: bustión interna alternativo alimentado por la mejora de la refr igeración y la optimizacombustible Diesel. ción del intercooler del motor. 34
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El resto de las modificaciones llevadas a cabo en el motor de partida han sido simuladas y evaluadas convenientemente. Ahora se trata de observar las prestaciones finales que puede ofrecer el prototipo una vez han sido simuladas todas las distintas modificaciones en conjunto sobre el motor de serie. Las modificaciones que presenta finalmen te el prototipo en la última simulación son: • Pulido de conductos tanto de admisión como de escape consiguiendo un factor de fricción de 0,009. • Eliminación de elementos restrictivos innecesarios como el EGR, el catalizador y los silenciosos. • Longitud de las pipas de admisión optimizadas para la mejora del efecto resonante (efecto RAM). • Tarado del muelle de la válvula Waste Ga te a una constante elástica de 280 000 N/m. • Utilización de un filtro de alto caudal representado en el programa AVL BOOST con una longitud del elemento de filtro de 150 mm. • Nuevos árboles de levas que desarrollan un diagrama de distribución optimizado para el mejor llenado del cilindro. • Relación de compresión cercana a los 19:1 en vez de la anterior relación de compresión de 18:1. • Punto de inicio de la combustión de -8º con respecto al PMS (8º antes del PMS). An teriormente este avance estaba fijado en -5º. La relación aire-combustible pasa de ser 18,2 a 15,5 lo que indica un serio aumento de la masa de combustible inyectado. Cabe destacar que el aumento de humo negro producido por el exceso de combustible no preocupa demasiado a la hora de realizar el estudio que se lleva a cabo en este proyecto. Resultados obtenidos
A continuación se muestra una comparación entre las prestaciones del motor de partida del presente proyecto medidas en un banco de pruebas y las mejoras obtenidas mediante la simulación a un régimen de 4000 rpm. Prestaciones Par [Nm] Motor de serie
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Prototipo
330,07
Potencia [Kw] 80,4 138,26
En las siguientes gráficas se muestra una comparativa entre ambos motores: Motor de serie vs Prototipo 400
Motor de serie
Prototipo
350
300
250 ] m u N [ r a P
200
150 100 50 0 0
500
1000
1500
2000 2500 3000 Régimen de giro [rpm]
3500
4000
4500
Motor de serie vs Prototipo 160
Motor de serie Prototipo
140
120
100 ] m u N [ r a P
80
60
40
20
0 0
500
1000
1500
2000 2500 3000 Régimen de giro [rpm]
3500
4000
4500
Quiero agradecer a Nissan Motor Ibérica por su ayuda para la realización del trabajo que ha dado lugar a este artículo.
Bibliografia “Trucaje de motores de 4 tiempos ”. Miguel de Castro Vicente ed CEAC 1989. “Preparación de motores de competición”. Luis Ruigi ed. CEAC 1988. “Técnicas de conducción.Trucaje de motores”. Miguel de Castro ed. CEAC 1994. Apuntes de motores de combustión interna alternativos. Félix Jiménez Zorrilla. “Motores Diesel para automóviles”. Carlos Arroyo Sanjuán. Ed. CEAC 1990. “Predicción de las actuaciones de los grupos de sobrealimentación para motores diesel de automoción”. Tesis Doctoral de Francisco Payri Gonzálbez. 1973. “Internal Combustion Engines”. Benson and Whitehouse.
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