Parte II: El alto costo de la protección ambiental

Segunda entrega del análisis del Ingeniero Ciancio sobre el futuro de los motores de combustión interna.

En una nota anterior tratamos de resumir los avances en los motores diésel de servicio pesado. Se podría decir que la imaginación teórica es sencilla, pero realmente es una proeza llevar esos conceptos a la práctica. Es lo que realmente tiene valor.En los automóviles, la tecnología abarca desde diseños muy depurados para incorporar desarrollos en el control de la combustiónhasta el uso de increíbles recursos de manufactura o aplicación de materiales totalmente nuevos.

Sin duda alguna el motor de combustión interna está en la etapa final de su ciclo de vida. El futuro nos verá con los autos eléctricos tomando parte de la mayoría del parque nuevo. Ya hay por supuesto grandes firmas fabricándolos, y es inevitable nombrar a Tesla. Sus modelos de autos tienen un gran nivel de confort y eficiencia, con autonomía que está superando los 500 km. También ha presentado sus camiones de servicio pesado con potencias que exceden los 1000 HP. El mayor problema que ellos enfrentan en estos días es la falta de capacidad de producción para atender a un mercado creciente con mucha rapidez. Hace pocas horas, Ford anunció, siguiendo a General Motors, que para la próxima década abandonarán a los motores nafteros supliéndolos por los eléctricos. En Europa casi todos los fabricantes han presentado sus prototipos “e”.

En nuestro país es de esperar que progrese el acuerdo con la empresa china BYD Industries para radicarse en el Parque Industrial de General Güemes, Salta, con su planta automotriz, destinada exclusivamente a su línea de propulsión eléctrica.

Desde ya que la disponibilidad y distribución de la energía deberán estudiarse desde el punto de la implementación y el costo involucrado…y desde ya que sería ideal la utilización de energías renovables, al máximo posible. Hay previsiones para la utilización de paneles solares, así como grandes parques eólicos.

Pero volvamos a los motores actuales, la pregunta es: ¿cuándo desaparecerán?
Sin duda hay muchos años de uso por delante. Sobre un parque de automóviles y vehículos livianos, cercano a 12.000.000 de unidades, tenemos un ingreso de autos nuevos de 600.000 unidades anuales y una vida promedio de 15 años aproximadamente. Es decir, que si todas las automotrices pasaran a producir unidades eléctricas, todas al mismo tiempo, tardaríamos unos 20 años en convertir todo el parque…y lógicamente nuestro país no será de los primeros en disponer de la tecnología.

Ante este panorama, impresiona que aún se redoblen los esfuerzos para mejorar la eficiencia, capacidad de respuesta y control de emisiones de los motores de 4 tiempos actuales, es decir que se busque optimizar la performance en todo el sentido de la palabra.
Uno de los cambios más importantes es la adopción de la inyección directa de nafta. En general se logra un aumento de potencia de un 25%, de torque del 15% y fundamentalmente el consumo en un 20% (Mitsubishi), por lo tanto desde el punto de vista ambiental, se reduce en forma significativa el efecto invernadero.

No es precisamente una novedad tecnológica, ya que se comenzó a utilizar masivamente en motores de aviación en 1939. En la industria automotriz, los primeros casos se dan a partir de 1952 en el Gutbrod Superior (2 t de 600 cm3) y el Goliath GP 700E (2 t). Gutbrod Superior inyección Bosch Goliath GP 700E (Borgward).

En 1954 Mercedes Benz presentó su modelo SL 300 Gullwing con sistema de inyección directa de combustible desarrollado por R. Bosch. En el campo deportivo, el célebre Mercedes Benz W 196 que ganara el 75% de las carreras de F1 disputadas entre 1954 y 1955 piloteado por J. M. Fangio y S. Moss, utilizaba inyección directa en su motor de 8 cilindros en línea. Estos sistemas, totalmente mecánicos, fueron desarrollados fundamentalmente a partir de los sistemas de inyección de motores Diésel. Su difusión se vio limitada por el mayor costo frente al carburador y por problemas generados a partir de la baja lubricidad del combustible. No obstante, no se registra información sobre la formación de depósitos en las válvulas y conductos de admisión en estas aplicaciones.

Con el avance de la electrónica, a partir de 1997 irrumpe una nueva generación de sistemas de inyección directa.Durante los siguientes 10 años, Volkswagen, BMW, Mercedes-Benz y muchos otros introdujeron en sus vehículos los motores con inyección directa junto con varios otros sistemas electrónicos destinados a reducir el consumo, mejorar el desempeño y controlar las emisiones contaminantes.

La disposición del inyector de alta presión, la forma de la cabeza del pistón y la dinámica del flujo de aire pueden ser aprovechadospara dar flexibilidad a los diseños, eligiendo cómo se realiza la mezcla del combustible con el aire.
Pero a medida que se fue difundiendo la aplicación de estos sistemas, en algunos motores se presentaron problemas a partir de los 50.000 km de uso.

Los síntomas típicos fueron códigos de falla de encendido, tironeo, marcha irregular, etc. La causa observada fue que depósitos de carbón acumulados en las tulipas de las válvulas de admisión producían irregularidades en el flujo de aire que ingresa a la cámara de combustión.Esta turbulencia hace que la mezcla de aire y combustible se distribuya de manera caótica. Cuando se enciende, el frente de la llama tiende a ser errático, dejando parte de combustible sin quemar y creando puntos calientes en la cámara de combustión.

¿Por qué algunos motores de inyección directa son propensos a crear depósitos de carbón?
1) Las válvulas de admisión se abren, sin importar si se trata de inyección de combustible multipunto o inyección directa. Durante ese pequeño período de tiempo, se exponen a subproductos de la combustión que pueden adherirse al cuello de la válvula. Si el último ciclo de combustión no fue óptimo, la válvula de admisión quedará expuesta a esos subproductos.
2) Las mezclas pobres, mezclas estratificadas y presiones de combustión más altas, comunes en los sistemas con inyección directa actuales, pueden hacer que el problema empeore. Un motor de inyección directa de combustible moderno produce más energía a partir de una cantidad dada de combustible y aire que un motor de inyección indirecta. La operaciónes crítica entre la eficacia óptima y un fallo de encendido. No hay margen para el error. Si hay puntos calientes en la cámara de combustión, depósitos en los inyectores con un spray mal distribuido o bujías deterioradas; seguramente generarán problemas. Cuando se crea un punto caliente o un frente de llama no óptimo, la cantidad de combustible no quemado en la cámara de combustión aumenta.

Al abrirse la válvula durante la carrera de admisión, puede ser que entre en contacto con estos subproductos. A diferencia de lo que ocurre en las válvulas de escape, los gases que pasan por allí encuentran un ámbito lo suficientemente caliente como para formar depósitos de carbón pero no como para quemarlos. Con el objeto de mejorar la performance y cumplir con las cada vez más estrictas normas de control de emisiones de NOX, algunos motores con inyección directa, también están equipados con sincronización variable de las válvulas. La electrónica del motor controla cuándo, por cuánto tiempo y, en algunos casos, qué tan profunda entra la válvula en la cámara de combustión. Si una válvula de admisión está abriendo en una cámara de combustión con subproductos de la combustión o con combustible no quemado, la válvula puede estar expuesta a los agentes que causan los depósitos de carbón. También, por ajustes en la apertura y cierre de las mismas se logra un efecto de“EGR interno”, por medio de esos ajustes se logra un efecto de barrido ya sea para atraer o dejar atrás en la cámara una pequeña cantidad de gases de escape,y así se controlan las emisiones de NOX. Esto expone todavía más las válvulas a los subproductos de la combustión.

Vista de las válvulas de admisión de un BMW Serie 3, sacando el múltiple de admisión: puro depósito carbonoso sobre las “tulipas” y primera parte del vástago de las válvulas de admisión En el DGI no pasa la nafta, con sus aditivos limpiadores por esta zona, justamente entra directamente a la cámara de combustión. Esos depósitos provienen en buena parte del aceite quemado, entonces ayudan los lubricantes de bajo contenido de cenizas, o “low SAPS” a formar menos carbones.

En el modo estratificado el motor trabaja con un valor lambda desde 1,6 hasta 3, consiguiendo una reducción de consumo de combustible considerable, pero es una condición delicada de equilibrio.

Otro punto en que se está trabajando es el control de los NOx: uno de los problemas principales que plantea la inyección directa es el tratamiento de los gases de escape para cumplir las normas de protección ambiental. Los óxidos nítricos que se producen con motivo de la combustión en el modo “estratificado” y en el modo “homogéneo-pobre” no pueden ser transformados en cantidad suficiente en nitrógeno gaseoso, por medio de un catalizador convencional de tres vías (efectivo en los motores con inyección multipunto). Ha sido desarrollado el catalizador-acumulador de NOx por parte de Mitsubishi, y entonces se cumple la norma Euro 4 en estos modos operativos (y abre las puertas para la Euro 5). Los NOx se acumulan internamente en ese catalizador y se transforman en nitrógeno mediante medidas específicas para ello, con cambios de temperatura

Uno de los problemas principales que plantea la inyección directa de gasolina es el tratamiento de los gases de escape para cumplir las normativas anticontaminación. Los óxidos nítricos que se producen con motivo de la combustión en el modo “estratificado” y en el modo “homogéneo-pobre” no pueden ser transformados suficientemente en nitrógeno por medio de un catalizador convencional de tres vías. Solo desde que ha sido desarrollado el catalizador-acumulador de NOx también se cumple la norma de emisiones de escape EU4 en estos modos operativos. Los óxidos nítricos se acumulan internamente en ese catalizador y se transforman en nitrógeno mediante medidas específicas para ello.

Con respecto a los materiales, tenemos una gran innovación de Mercedes-Benz: La tecnología NANOSLIDE utiliza el spray producido por un arco de alambres gemelos para fundirese material de aleación de hierro sobre las paredes de cilindro, y se ayuda con un flujo de gas. El acabado final asimila la superficie a un pulido a espejo, fruto de una capa ultrafina con hierro nano-cristalino, que tiene poros muy finos, lo cual reduce considerablemente la fricción y el desgaste del conjunto pistón y la pared del cilindro.

El aceite debe estar formulado para alojarse en esos finos poros, lo cual deriva necesariamente en una baja viscosidad y bases especiales. Aquí empieza a intervenir también la tensión superficial del mismo.
Con esta mejora, Mercedes Benz establece que se logra una reducción en el consumo de combustible…y esto también significa una disminución del efecto invernadero.

 

Son todos argumentos que nos llevan a pensar que habrá más “vida” para los motores alternativos de combustión interna.
Eso sí, cada una de estas innovaciones hace más difícil la tarea del lubricante, y Mobil está allí para servir a estos desafíos.


Por Antonio J. Ciancio
Ingeniero de Lubricación de AXION energy (Mobil en Arg.). Docente asociado e investigador del Centro Argentino de Tribologia. Comité Técnico de la Cámara Argentina de Lubricantes.