La mitad de la flota de coches y camiones nuevos de Estados Unidos está equipada con inyección directa de gasolina (también conocida como GDI), lo que significa que el combustible se rocía directamente en la cámara de combustión. Esto nos lleva a preguntarnos: ¿Cuál es la próxima innovación en motores que está a punto de salir del laboratorio?
La respuesta es llevar el combustible al fuego por dos vías distintas, y algunos fabricantes ya están equipando sus motores con inyección directa y de puerto. Toyota introdujo esta tecnología, que denomina inyección D-4S, en un V-6 hace más de una década y ahora utiliza la inyección directa y por puerto en sus motores de 2,0 litros (fabricados por Subaru), 3,5 litros V-6 y 5,0 litros V-8. Audi la utiliza en sus motores V-6 de 3,0 litros y V-10 de 5,2 litros.
Ford es actualmente el actor dominante con lo que denomina inyección directa (DI) de alta presión e inyección de puerto (PI) de baja presión de doble combustible. Las aplicaciones incluyen motores de gasolina V-6 y V-8 con turbocompresor y aspiración natural -cuatro en total- de entre 2,7 y 5,0 litros. Tanto el pick-up volador F-150 de 2017 como el superdeportivo GT están propulsados por los nuevos V-6 EcoBoost de 3,5 litros así equipados. Los F-150 terrestres también se apoyan en esta tecnología con un V-6 de 3,3 litros de base y un V-6 EcoBoost de 2,7 y 3,5 litros opcional. La aplicación más reciente anunciada por Ford hasta el momento es el nuevo V-8 de 5,0 litros que impulsará el Mustang GT de 2018.
Los fundamentos
Antes de profundizar en los puntos más delicados de la asociación de PI con DI, es necesario hacer una breve introducción. Contrariamente a las representaciones de Hollywood de coches que caen por los acantilados, no existe la ignición espontánea. Dado que la gasolina líquida no arde, la preparación del combustible extraído del depósito para su combustión en el motor es un proceso de dos pasos.
El primer paso es la atomización del líquido en finas gotas, que se consigue forzando la gasolina presurizada por una bomba a través de diminutos orificios de inyección. Un estudio realizado por los ingenieros de Hitachi reveló que el combustible presurizado a 1000 psi e inyectado a través de orificios de entre 0,006 y 0,011 pulgadas de diámetro producía una niebla de 135 mph con gotas de sólo 0,000003 pulgadas de diámetro. Eso está bien.
La vaporización sigue a la atomización. Aquí, las finas gotas de combustible pasan por un cambio de fase de líquido a gas, convirtiéndose en un vapor que puede mezclarse con el aire y encenderse con la bujía.
Debido a que el calor se absorbe durante este cambio de fase, hay un efecto de enfriamiento, que puede utilizarse para mejorar la eficiencia de funcionamiento del motor. Con el PI, el aire que fluye por el colector de admisión se enfría antes de llegar a la cámara de combustión. Con la inyección directa, el beneficio de la refrigeración se produce dentro de la propia cámara.
Cada estrategia tiene ventajas y desventajas. La IP es útil para los motores de aspiración natural porque la refrigeración del aire entrante aumenta su densidad y su potencial de producción de potencia. Es mucho más fácil situar los inyectores en los puertos de admisión, bien alejados de las válvulas y las bujías. Esta ubicación en la parte superior del motor proporciona tiempo suficiente para que se produzca la vaporización completa. Una de las desventajas es que a veces las gotas de combustible se depositan en las paredes de los puertos de admisión, lo que altera la relación combustible-aire prevista.
Con la inyección directa, la posibilidad de detonación, es decir, el encendido prematuro de la mezcla de combustible y aire, disminuye porque el efecto de enfriamiento por cambio de fase tiene lugar durante la carrera de compresión, justo antes del encendido. La reducción de las temperaturas de la superficie de la cámara de combustión permite una relación de compresión más alta y una mayor eficiencia, tanto si el motor es de aspiración natural como si está sobrealimentado. Ford aumentó el par máximo en 30 lb-pie en su nuevo V-6 de 3,5 litros combinando la nueva estrategia de doble inyección con una mayor presión de sobrealimentación.
La inyección directa tiene sus inconvenientes. Un sistema de inyección directa es más caro porque la presión necesaria para inyectar combustible en la cámara de combustión es de 50 a 100 veces mayor que con la inyección directa, y la bomba de mayor presión impone pérdidas parásitas. Los inyectores directos tienden a ser ruidosos. Los depósitos de carbono, tanto en la parte trasera de las válvulas de admisión como en los tubos de escape, son problemas de servicio para algunos usuarios de DI. Como hay menos tiempo para que se produzca la vaporización, parte del combustible se escapa de la cámara de combustión y del catalizador en forma de partículas u hollín. Estas partículas de carbono son similares, pero de menor tamaño, a las que escupen los motores diésel.
La combinación
La estrategia definitiva consiste en combinar las ventajas de la IP y la DI, utilizando cada una de ellas para reducir los aspectos negativos de la otra. Toyota, por ejemplo, dispara ambos inyectores en condiciones de carga y rpm bajas o medias, es decir, durante la conducción normal. Esto aumenta la densidad de la carga entrante sin sobrealimentación y elimina los depósitos de carbono de las válvulas de admisión. En condiciones de carga y rpm elevadas, cuando se necesita la máxima refrigeración de la cámara de combustión porque la detonación es más probable, el DI se encarga de todo el suministro de combustible.
Peter Dowding, ingeniero jefe de sistemas de gasolina de la cadena cinemática de Ford, reveló una estrategia diferente. Ford utiliza el PI solo al ralentí y a bajas rpm para un funcionamiento suave, silencioso y eficiente del motor. A medida que aumentan las rpm y la carga, el suministro de combustible se convierte en una mezcla programada de PI y DI. En contraste con la metodología de Toyota, el PI de Ford está siempre en funcionamiento, y es responsable de al menos el 5 o el 10 por ciento del suministro de combustible.
Dowding y su colega de ingeniería de Ford, Stephen Russ, destacan que los depósitos de carbono en los tubos de escape y las válvulas de admisión nunca han sido un problema en sus motores DI. Dowding añade: «Ahora que a los motores eléctricos se les asignan cada vez más funciones de propulsión, nuestra tarea es mejorar la eficiencia del motor siempre que podamos». La tecnología de doble combustible de Ford ya ha demostrado ser una estrategia valiosa y rentable en este esfuerzo».
Diseñar y desarrollar motores modernos es un acto de malabarismo que intenta equilibrar la potencia, las emisiones, el kilometraje, la durabilidad, la manejabilidad y otras preocupaciones. La estrategia de doble combustible ofrece a los ingenieros una llave adicional a la que recurrir para obtener más energía de cada gota de gasolina. A medida que se aprende y se reducen los costes de los componentes, se espera que más fabricantes adopten este enfoque para avivar sus fuegos.
