La cilindrada variable es una tecnología de motor de automóvil que permite cambiar la cilindrada del motor , generalmente desactivando cilindros , para mejorar la economía de combustible . La tecnología se utiliza principalmente en grandes motores multicilíndricos. Muchos fabricantes de automóviles han adoptado esta tecnología a partir de 2005, aunque el concepto ya existía desde algún tiempo antes.
La desactivación de cilindros se utiliza para reducir el consumo de combustible y las emisiones de un motor de combustión interna durante el funcionamiento con carga ligera. En una conducción típica con carga ligera, el conductor utiliza sólo alrededor del 30 por ciento de la potencia máxima del motor. En estas condiciones, la válvula del acelerador está casi cerrada y el motor necesita trabajar para aspirar aire. Esto provoca una ineficiencia conocida como pérdida de bombeo. Algunos motores de gran capacidad necesitan acelerarse tanto con carga liviana que la presión del cilindro en el punto muerto superior es aproximadamente la mitad que la de un motor pequeño de 4 cilindros . La baja presión del cilindro da como resultado una menor eficiencia de combustible . El uso de la desactivación de cilindros con carga ligera significa que hay menos cilindros que extraen aire del colector de admisión , lo que funciona para aumentar la presión del fluido (aire). La operación sin desplazamiento variable es un desperdicio porque el combustible se bombea continuamente a cada cilindro y se quema aunque no se requiera el máximo rendimiento. Al apagar la mitad de los cilindros de un motor, la cantidad de combustible que se consume es mucho menor. Entre la reducción de las pérdidas de bombeo, lo que aumenta la presión en cada cilindro operativo, y la disminución de la cantidad de combustible que se bombea a los cilindros, el consumo de combustible se puede reducir entre un 8 y un 25 por ciento en condiciones de carretera. [1] [2]
La desactivación del cilindro se logra manteniendo cerradas las válvulas de admisión y escape de un cilindro en particular. Al mantener cerradas las válvulas de admisión y escape, se crea un "resorte neumático" en la cámara de combustión : los gases de escape atrapados (evitados de la quema de carga anterior) se comprimen durante la carrera ascendente del pistón y lo empujan hacia abajo durante su carrera descendente. La compresión y descompresión de los gases de escape atrapados tienen un efecto compensador: en general, prácticamente no hay carga adicional para el motor. En la última generación de sistemas de desactivación de cilindros, el sistema de gestión del motor también se utiliza para cortar el suministro de combustible a los cilindros desactivados. La transición entre el funcionamiento normal del motor y la desactivación del cilindro también se suaviza, utilizando cambios en el tiempo de encendido , el tiempo de levas y la posición del acelerador (gracias al control electrónico del acelerador ). En la mayoría de los casos, la desactivación de cilindros se aplica a motores de cilindrada relativamente grande que son particularmente ineficientes con cargas ligeras. En el caso de un V12 , se pueden desactivar hasta 6 cilindros. [1]
Dos problemas que se deben superar con todos los motores de cilindrada variable son el enfriamiento desequilibrado y la vibración. [ cita necesaria ]
El predecesor tecnológico más antiguo del motor de cilindrada variable es el motor de hit and miss , desarrollado a finales del siglo XIX. Estos motores estacionarios de un solo cilindro tenían un gobernador centrífugo que dejaba el cilindro fuera de funcionamiento siempre que el motor estuviera funcionando por encima de una velocidad establecida, generalmente manteniendo abierta la válvula de escape.
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Los primeros experimentos con motores de varios cilindros durante la Segunda Guerra Mundial , [3] se volvieron a intentar en 1981 con el desafortunado motor L62 "V8-6-4" de Cadillac . La tecnología se convirtió en una característica estándar en todos los modelos de Cadillac excepto en el Sevilla , que tenía el motor V-8 diésel 350 como motor base. Cadillac, en conjunto con Eaton Corporation , desarrolló el innovador sistema V-8-6-4 que utilizó la primera unidad de control del motor de la industria para cambiar el funcionamiento del motor de 8 a 6 o 4 cilindros dependiendo de la cantidad de potencia necesaria. [3] El sistema de cilindrada múltiple original apagaba pares de cilindros opuestos, lo que permitía que el motor tuviera tres configuraciones y cilindradas diferentes. Los autos tenían un elaborado procedimiento de diagnóstico, que incluía mostrar códigos de falla del motor en la pantalla del aire acondicionado. Sin embargo, el sistema era problemático, los clientes no lo entendían y una serie de fallas impredecibles llevaron a que la tecnología se retirara rápidamente. [3]
En 1981 Alfa Romeo desarrolló en colaboración con la Universidad de Génova una versión semiexperimental con motor de cilindrada variable del Alfa Romeo Alfetta , llamado Alfetta CEM ( Controllo Elettronico del Motore , o Gestión Electrónica del Motor), y lo mostró en el Salón del Automóvil de Frankfurt . [4] El motor modular de 2.0 litros de 130 PS (96 kW; 128 bhp) presentaba sistemas de encendido e inyección de combustible gobernados por una unidad de control del motor, que podía apagar dos de cuatro cilindros según fuera necesario para reducir el consumo de combustible. Se asignó un lote inicial de 10 ejemplares a taxistas de Milán para verificar el funcionamiento y el rendimiento en situaciones del mundo real. [4] [5] Según Alfa Romeo, durante estas pruebas se descubrió que la desactivación de cilindros reducía el consumo de combustible en un 12% en comparación con un motor CEM de inyección de combustible sin cilindrada variable, y casi en un 25% en comparación con el 2.0 con carburador de producción regular. -litro. [5] Después de la primera prueba, en 1983 se puso a la venta una pequeña serie de 1000 ejemplares, ofrecida a clientes seleccionados; [4] Se produjeron 991 ejemplos. A pesar de esta segunda fase experimental, el proyecto no tuvo mayores avances.
En 1982, Mitsubishi desarrolló su propia cilindrada variable en forma de MD (desplazamiento modulado), lo que demostró que la tecnología, utilizada por primera vez en el motor de cuatro cilindros en línea 1,4 L 4G12 de Mitsubishi , puede funcionar con éxito. [6] Debido a que el sistema de Cadillac resultó ser un fracaso y se utilizó un motor de cuatro cilindros, Mitsubishi aclamó el suyo como una primicia mundial. [7] La tecnología se utilizó más tarde en los motores V6 de Mitsubishi. [8]
El sistema funcionaba desactivando las válvulas de los cilindros número 1 y 4 a velocidades inferiores a 70 km/h (43,5 mph), al ralentí y mientras se desaceleraba. Las cifras de consumo de combustible en general mejoraron aproximadamente un 20 por ciento con respecto al motor 4G12 normal. [9] Sin embargo, fuentes de la época se quejaron de que el motor funcionaba de forma muy brusca en el modo de dos cilindros, a pesar de los soportes especiales con amortiguación hidráulica. [10] Otros esfuerzos realizados para minimizar las vibraciones y la aspereza incluyeron una sección de tubo de escape flexible, que no operó el sistema hasta que la temperatura del refrigerante alcanzó los 70 ° C, y un volante un 70 por ciento más pesado. [11] El esfuerzo de Mitsubishi duró poco, principalmente debido a la falta de respuesta de los compradores de automóviles. [12]
En 1993, un año después de que Mitsubishi desarrollara su propia tecnología de sincronización variable de válvulas , se introdujo la variante MIVEC -MD. La renovada tecnología MD se encontraba ahora en su segunda generación con controles electrónicos mejorados del motor que permitían el cambio de 4 a 2 cilindros casi imperceptiblemente. En modo MD, el motor MIVEC utiliza sólo dos de sus cuatro cilindros, lo que reduce significativamente el desperdicio de energía debido a las pérdidas de bombeo. Además, también se reduce la pérdida de potencia debida a la fricción del motor. [7] Dependiendo de las condiciones, el sistema MIVEC-MD puede reducir el consumo de combustible entre un 10 y un 20 por ciento; aunque parte de esta ganancia proviene del sistema de sincronización variable de válvulas, no de la característica de desplazamiento variable. [8] El desplazamiento modulado se eliminó alrededor de 1996. [8]
Varias empresas han desarrollado sistemas de desactivación de cilindros no originales, con distintos grados de éxito. La evaluación de la EPA de 1979 del sistema de desactivación de cilindros automotrices (ACDS), que permitía que motores de ocho cilindros funcionaran con cuatro cilindros, encontró que las emisiones de monóxido de carbono y óxido de nitrógeno aumentaban más allá de los límites legales de las normas de emisiones entonces vigentes. [13] Si bien se aumentó la economía de combustible, la aceleración se vio seriamente comprometida y la pérdida de vacío del motor provocó una pérdida peligrosa de asistencia de frenado cuando el sistema estaba en modo de cuatro cilindros. [13] Además de estos problemas, si bien la compañía propuso un sistema controlado hidráulicamente que se podía cambiar desde el interior del automóvil, la versión que implementaron tuvo que cambiarse manualmente en el compartimiento del motor usando herramientas manuales. [13]
Actualmente existen dos tipos principales de mecanizaciones de desactivación de cilindros que se utilizan en la actualidad, dependiendo del tipo de tren de válvulas del motor. El primero es para diseños de varillas de empuje que utilizan solenoides para alterar la presión del aceite entregada a los pasadores de bloqueo en los elevadores. Con el pasador de bloqueo fuera de lugar, los elevadores colapsan y no pueden elevar sus varillas de empuje compañeras debajo de los balancines de las válvulas, lo que resulta en válvulas que permanecen cerradas cuando la leva empuja la pieza en movimiento perdido.
El segundo tipo es para motores de levas en cabeza y utiliza un par de balancines bloqueados que se emplean para cada válvula. Un balancín sigue el perfil de la leva, mientras que el otro acciona la válvula. Cuando se desactiva un cilindro, la presión de aceite controlada por solenoide libera un pasador de bloqueo entre los dos balancines. Mientras un brazo sigue al árbol de levas, el brazo desbloqueado permanece inmóvil y no mueve la válvula. [14] Con el control por computadora, la desactivación y reactivación rápida del cilindro ocurre casi instantáneamente. [15]
Varios fabricantes de automóviles fabrican actualmente motores con desactivación de cilindros.
La tecnología de desplazamiento variable de control activo de cilindros (ACC) de Daimler AG debutó en 2001 en el motor V12 de 5,8 L de los modelos CL600 y S600.
Mercedes-Benz desarrolló su sistema de desplazamiento múltiple V12 a finales de la década de 1990, que apaga cada dos cilindros en el orden de encendido. Se implementó ampliamente en motores V8 con varilla de empuje a partir del DaimlerChrysler Hemi 2004 .
A partir de 2003, Honda introdujo la gestión de cilindros variable en los motores de la familia J. El sistema de Honda funciona desactivando bancos de cilindros, cambiando de 6 a 4 o 3 cilindros.
En 2005, GM introdujo su sistema de desactivación de cilindros Active Fuel Management (en el bloque pequeño de Generación IV ) que, similar al MDS de Chrysler, apagaba la mitad de los cilindros. En 2018, GM introdujo un sistema mejorado llamado Gestión dinámica de combustible [16] que apaga cualquier número de cilindros, en una variedad de combinaciones, según las necesidades inmediatas. El sistema se basa en Dynamic Skip Fire, [17] una tecnología desarrollada por la empresa californiana Tula Technology [18] y el motor de 6,2 litros que la incorpora fue nombrado uno de los 10 mejores motores de Ward para 2019.
En 2012, Volkswagen introdujo la Tecnología de Cilindro Activo (ACT), siendo el primer fabricante en hacerlo en motores de cuatro cilindros. [19]
En noviembre de 2016, Ford anunció su motor compacto Ecoboost de tres cilindros con desactivación en uno de los cilindros. Este es el motor más pequeño hasta el momento que utiliza la desactivación y permitirá aplicar los beneficios en automóviles pequeños. [20]
En noviembre de 2017, Mazda anunció la desactivación de cilindros estándar en todos los modelos CX-5 2018 y la disponibilidad en los modelos Mazda6 . [21] [22]
A partir del año modelo 2020, alrededor del 15% de los vehículos livianos vendidos en los Estados Unidos usaban desactivación de cilindros, utilizada predominantemente por Mazda (64%), GM (44%), Honda (24%) y FCA (23%). ). [23]
Relación de compresión variable . El sistema más conocido de este tipo fue el motor experimental de compresión variable Saab , que utilizaba un bloque articulado para acercar o alejar los pistones de la culata, cambiando así el tamaño de las cámaras de combustión. Otros sistemas experimentales incluyen el motor Hefley, que utiliza una carrera de manivela deslizante sobre un eje excéntrico, [24] y el motor de desactivación de pistón Scalzo, que utiliza un varillaje de cuatro barras y tiene la distinción de poder detener pistones individuales por completo. [25] Actualmente no hay vehículos de producción que utilicen alguno de estos diseños.
Además, la serie de motores Northstar de Cadillac presentaba un modo a prueba de fallos "limp home". Si el motor perdiera refrigerante, el controlador del motor cortaría el combustible y produciría chispas en la mitad de los cilindros. Sin modificar el funcionamiento de las válvulas, los cilindros no combustibles enfriarían el motor con aire, permitiéndole recorrer hasta 100 millas sin refrigerante.