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MOTORES DE COMPRESIÓN VARIABLE: HISTORIA Y EVOLUCIÓN

MOTORES DE COMPRESIÓN VARIABLE: HISTORIA Y EVOLUCIÓN

Desde los comienzos los motores de combustión interna tropezaron con un inconveniente de difícil solución, para aumentar el rendimiento térmico a bajas cargas se necesita una alta relación de compresión pero ello conlleva a peligrosas detonaciones a altas cargas que perjudican el funcionamiento del mismo, para solucionar esa importante contradicción técnica es necesario poder variar la relación de compresión en función de la necesidad, un desafío que los ingenieros automotrices vienen persiguiendo desde hace más de un siglo existiendo cientos de patentes alrededor del mundo. Al ser imposible enumerarlas una por una, en el presente artículo vamos a hacer un breve repaso sobre algunos de los sistemas más conocidos.

El registro histórico más antiguo de un motor con compresión variable data de una patente concedida al ingeniero estadounidense Charles Salisbury en el año 1917 la cual consistía en un eje pivotante que permitía la inclinación del conjunto cilindro-culata con respecto al eje del cigüeñal haciendo variar el tamaño de la cámara de combustión, mientras que unos fuelles de goma mantendrían selladas las partes móviles del motor. Sin embargo, la gran limitación de esta planta motriz estaba en el hecho de tener que regular manualmente la compresión, el encendido y el combustible siendo impráctico para su aplicación hasta que Saab perfeccionó el mismo concepto con su motor SVC en el año 2000.

El primer motor de compresión de variable fue construido en 1920 por Harry Ricardo y se utilizaba para probar la detonación y octanaje de los combustibles. La variación de la cámara de combustión se conseguía modificando la altura del cilindro con respecto al eje del cigüeñal.

En 1957 se patenta un diseño del Doctor Wilfred Mansfield de la Asociación Británica de Investigación de Motores de Combustión Interna (BICERA) que consistía en un sistema hidráulico alojado en el interior del pistón que permitía variar la altura de la cabeza de este, de esa forma cambiar el volumen de la cámara de combustión. En el año 1976 la empresa Teledyne Continental Motors utilizó este dispositivo en motores de tanques obteniendo mejoras entre un 20% y un 40%. La desventaja del sistema estaba en el incremento de la masa de los pistones. Esta técnica también fue ensayada por Ford en 1984 utilizando arandelas del tipo Belville y Mercedes Benz también realizó pruebas con pistones hidráulicos en 2012.

Pistón Ford con arandela Belville (foto: Martyn Roberts, Prodrive Ltd)

En 1978 se le concedió al ingeniero sueco Alvar Gustavsson una nueva patente, también conocido como motor Alvar, donde agregaba un pequeño pistón en el cielo de la cámara de combustión al lado de la bujía, el recorrido del pistón dejaba descubierta una cavidad similar a una precámara que permitía cambiar el volumen de la cámara. De esa manera se podía variar la compresión y la cilindrada, aunque esta técnica provocaba cambios en la aerodinámica interna de la cámara variando la turbulencia de la mezcla. Este tipo de motor fue ensayado por Volvo en 1998. Ford también experimentó una variante del motor Alvar utilizando un sistema de válvulas en la cavidad de la cámara de combustión.

Motor Alvar

En 1999 Yamaha presenta un motor diésel de 2 tiempos con relación de compresión variable a través de una lumbrera de longitud ajustable.

En el año 2000 la empresa holandesa Gomecsys construye el primer prototipo de su motor de compresión variable, en este caso habían incorporado un cojinete de biela excéntrico en el cigüeñal accionado por un sistema de engranajes que permitía variar la altura del conjunto biela-pistón y de esa manera ajustar la distancia entre el PMS (Punto Muerto Superior) y el cielo de la cámara de combustión, un concepto que marcó el camino a seguir para otros constructores posteriormente.

Gomecsys

En el Salón de Ginebra de ese mismo año Saab sorprendió al mundo presentando su revolucionario motor SVC basado en el concepto original de Salisbury que mencionamos anteriormente. Si bien se experimentó con unidades de 4 y 6 cilindros, el modelo final tenía 5 cilindros en línea con 1,6 litro sobrealimentado con compresor volumétrico que le permitía desarrollar 225CV. La variación de la cámara se conseguía inclinando la culata 4 grados mediante un árbol auxiliar controlado electrónicamente, de esa manera la compresión variaba desde 8:1 a 14:1. Posteriormente la marca fue adquirida por GM que finalmente descartó el proyecto por los altos costos de fabricación. Este diseño de motor articulado tenía la desventaja de perjudicar la rigidez estructural del conjunto. También existió otro impulsor construido por el fabricante Hara que era muy similar al Saab SVC.

Saab SVC
Saab SVC esquema

En 2001 la empresa británica Mayflower en sociedad con Brabham presenta un novedoso motor de compresión variable, en esencia el funcionamiento era similar al de Gomecsys haciendo variar el PMS a través de la altura del conjunto biela-pistón, pero en este caso tenía un revolucionario cigüeñal accionado por balancines, en uno de los extremos dicho balancín iba unido el conjunto biela-pistón propiamente dicho, mientras que en el otro extremo se encontraba una varilla pivotante cuya finalidad era variar la inclinación del balancín permitiendo subir o bajar el conjunto biela-pistón y consecuentemente el PMS obteniendo relaciones de compresión desde 9:1 a 15:1. Este sistema ofrece muchas ventajas desde el punto de vista del reparto de fuerzas porque el conjunto biela-pistón solo realiza el movimiento vertical, mientras que el giro del cigüeñal es provocado por el balancín. Las desventajas son los mayores costos de fabricación y de reparación.

Mayflower Brabham

En 2006 la empresa francesa MCE-5 dio una vuelta de tuerca adicional al cigüeñal con balancines de Mayflower utilizando un sistema pivotante accionado por un pistón hidráulico. Estos impulsores permitían un extenso rango de compresión desde 8:1 a 18:1 pudiendo variar entre ambos límites en sólo 0,07 segundos. La desventaja de este diseño era el mayor tamaño del bloque motor por el agregado del sistema hidráulico. Los motores MCE-5 fueron ensayados por Peugeot en unidades de 1.5 litro y 225CV aunque el proyecto no prosperó, sin embargo recientemente la empresa consiguió un fuerte apoyo económico del fabricante chino Dongfeng.

MCE-5

En el año 2007 Mercedes Benz presenta el revolucionario motor DiesOtto basado en la planta motriz M271 de 4 cilindros 1.796cc con inyección directa, doble turbocompresor y 238CV. Se trataba de un motor naftero sin bujías ya que utilizaba encendido por compresión como en los Diesel. También contaba con un sistema de compresión variable a través de cojinetes de biela excéntricos similares a los utilizados por Gomecsys, aunque en ese caso la rotación de estos se realizaba a través de una manivela en reemplazo del conjunto de engranajes. La empresa alemana presentó el DiesOtto como el futuro de los motores de combustión, pero el proyecto fue descartado a posteriori.

Mercedes Benz DiesOtto

En 2009 Lotus Engineering presenta el motor «Omnivore» un monocilíndrico de 2 tiempos e inyección directa que era capaz de funcionar con casi cualquier combustible. Llamaba la atención la lumbrera de escape con sistema de cierre por balancín, pero también por su dispositivo de compresión variable que consistía en el movimiento vertical del cielo de la cámara de combustión, reflotando el concepto inicial del motor de Harry Ricardo.

Lotus Engineering «Omnivore»

En 2010 el grupo Hyundai/Kia presentó un estudio encabezado por el Doctor Hong-Wook Lee de un impulsor al que llamaron de «deslizamiento variable» en el cual 5 ingenieros coreanos se dedicaron a estudiar en profundidad todos los sistemas de compresión variable existentes y aplicaron ingeniería inversa para eludir las patentes y optimizar el diseño. Se basaron en el cigüeñal con balancines similar al de Mayflower y crearon un nuevo vínculo pivotante a través de pasadores y correderas, más eficiente.

En 2011 la empresa finlandesa Waulis presenta un novedoso motor de compresión variable, en este caso se acoplaba a la biela un engranaje de diseño similar a una rueda fónica que permitía un movimiento excéntrico de la misma variando la altura del conjunto biela-pistón y el PMS, aunque en este caso conservaba un cigüeñal con muñones de diseño tradicional. Esta tecnología se implementó en un impulsor de 1.8 litro con VVT con aspiración natural con el cual la empresa consiguió mejorar el rendimiento en un 29,1%.

Waulis

En el año 2013 la empresa alemana FEV presenta una revolucionaria biela con un perno de pistón excéntrico accionado de manera de hidráulica, de esa manera se podía subir o bajar el pistón dentro de la biela permitiendo variar la distancia del mismo con respecto al cielo de la cámara obteniendo relaciones de compresión entre 8,8:1 y 12:1. La gran ventaja de este diseño era la facilidad para adaptarse en cualquier tipo de impulsor sin requerir costosas modificaciones, la desventaja era el aumento de la masa de la biela. En 2015 Porsche en conjunto con la empresa alemana Hillite presentaron un diseño de biela similar a punto tal que las empresas FEV y Hillite decidieron asociarse 3 años después para el desarrollo del producto. Al mismo tiempo tenemos que mencionar que Toyota también patentó una biela con las mismas características.

Sistema FEV/Hillite

Así llegamos al año 2016 cuando Nissan a través de su subsidiaria Infiniti presenta al público el primer motor de compresión variable de producción en serie. En efecto, el impulsor VC-Turbo toma muchos conceptos técnicos de los motores de Mayflower y MCE-5 con el cigüeñal accionado por balancines, pero los ingenieros japoneses decidieron ubicar el sistema de palanca en la parte baja accionado por un motor eléctrico, seguramente para contener el tamaño del block y para favorecer el centro de gravedad del conjunto. No obstante, tenemos que aclarar que esta solución técnica fue presentada en un estudio de la autopartista alemana Schaeffler dos años antes. El motor VC-Turbo de 2 litros de cilindrada consigue una potencia de 268CV, mientras que la relación de compresión puede variar entre 8:1 y 14:1 en un lapso de 1,5 segundos entre ambos límites.

Nissan y Schaeffler
El concepto de balancín

También en 2016 las empresas alemanas AVL e Iwis presentan el sistema «Dual Mode VCS» desarrollado conjuntamente por ambas compañías. El mismo consistía en una biela de longitud variable de dos posiciones, permitiendo una baja compresión a altas cargas y alta compresión a bajas cargas. La finalidad de este diseño es ofrecer un componente de bajo costo y fácil instalación que les permita a los fabricantes amoldar los motores a las futuras normas de emisiones sin tener que asumir complejos desarrollos. Por el lado de las contras está la mayor masa de la biela y la menor rigidez estructural de la pieza.

AVL e Iwis
Detalle interno sistema AVL e Iwis

Para finalizar podemos concluir que si bien no existe ningún sistema de compresión variable que sea perfecto, en todos los casos aportan grandes ventajas en rendimiento, eficiencia y reducción de emisiones contaminantes por lo que estamos en condiciones de anticipar que en los próximos años seguramente llegaran a las calles más impulsores con sistemas de este tipo.

Investigación: © Fabián Matías Rossi para TargaSport

Fotos: © Unknown

 

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