La relación de compresión variable (VCR) es una tecnología que permite ajustar la relación de compresión de un motor de combustión interna mientras está en funcionamiento. Esto se hace para aumentar la eficiencia del combustible bajo cargas variables. Los motores de compresión variable permiten cambiar el volumen por encima del pistón en el punto muerto superior . Las cargas más altas requieren relaciones más bajas para aumentar la potencia, mientras que las cargas más bajas necesitan relaciones más altas para aumentar la eficiencia, es decir, para reducir el consumo de combustible. Para uso automotriz, esto debe hacerse mientras el motor está funcionando en respuesta a la carga y las demandas de conducción. El Infiniti QX50 2019 es el primer vehículo disponible comercialmente que utiliza un motor de relación de compresión variable.
Los motores de gasolina tienen un límite en la presión máxima durante la carrera de compresión, después de la cual la mezcla de combustible y aire detona en lugar de quemarse. Para lograr mayores potencias a la misma velocidad, se debe quemar más combustible y, por lo tanto, se necesita más aire. Para lograr esto, se utilizan turbocompresores o supercargadores para aumentar la presión de entrada. Esto daría como resultado la detonación de la mezcla de combustible y aire a menos que se redujera la relación de compresión, es decir, que se aumentara el volumen sobre el pistón. Esto se puede hacer en mayor o menor medida y es posible obtener aumentos masivos de potencia. El lado negativo de esto es que, con una carga ligera, el motor puede carecer de potencia y par. La solución es poder variar la presión de entrada y ajustar la relación de compresión para que se adapte a ella. Esto ofrece lo mejor de ambos mundos, un motor pequeño y eficiente capaz de desarrollar una gran potencia a demanda. Además, el VCR permite el uso gratuito de diferentes combustibles además de la gasolina, por ejemplo, GLP o etanol .
El desplazamiento del cilindro se modifica mediante un sistema hidráulico conectado al cigüeñal y se ajusta según la carga y la aceleración requeridas.
Los motores de compresión variable existen desde hace décadas, pero sólo en laboratorios con el fin de estudiar los procesos de combustión. Estos diseños suelen tener un segundo pistón ajustable en la cabeza opuesto al pistón de trabajo.
En 2018, Infiniti comenzó la producción de su motor turbo de compresión variable, que utiliza un varillaje mecánico para lograr la variabilidad. Se instaló en su SUV QX50. El motor puede producir cualquier relación de compresión de 8:1 a 14:1. El par más alto se logra a 8:1, lo que proporciona una alta aceleración, mientras que el mejor rendimiento de combustible (eficiencia de combustible) se logra a 14:1. El controlador electrónico del motor responde a la presión en el pedal del acelerador, en tiempo real, alterando la relación de compresión sin problemas. Aunque este motor tiene una cilindrada de 2,0 L y es un motor de cuatro cilindros en línea, no utiliza ejes de equilibrio para eliminar las vibraciones secundarias . Está inherentemente equilibrado por el varillaje mecánico.
Debido a la simplicidad comparativa del diseño de la culata (sin válvulas de admisión), es algo más fácil de implementar en motores de dos tiempos . Desde finales de los años 90 en adelante, han estado disponibles modelos que amplían esta idea, como el de Yamaha , [1] que varía dinámicamente el tamaño de la cámara de combustión . Últimamente (en la década de 2000) esta tecnología ha visto un renovado interés, debido a que puede quemar una amplia gama de combustibles (por ejemplo, incluidos los alcoholes), como el Lotus Omnivore. [2] [3]
Un motor de dos tiempos comercializado mucho antes, pero muy pequeño (18 cc) y no lo suficientemente potente como para tener mucho éxito, fue el motor Lohmann producido a principios de la década de 1950 como motor de actualización para bicicletas [4]. Este motor tenía una culata y una camisa de una sola pieza, cuya distancia del cigüeñal se ajustaba mediante un tornillo sinfín accionado por cables desde una empuñadura giratoria en el manillar. El ajuste de la compresión era esencial para el funcionamiento de este motor porque utilizaba el encendido por compresión de una mezcla de combustible que se introducía antes de la carrera de compresión y que, por lo tanto, se encendía cuando la compresión la llevaba a una temperatura suficiente. Esto significaba que la compresión necesaria variaría con la temperatura del aire, la temperatura del motor y el tipo de combustible: con demasiada compresión, el motor sufriría un encendido prematuro y con muy poca no se encendería en absoluto. Por lo tanto, el operador tenía que ajustar la compresión continuamente a medida que variaban las condiciones de funcionamiento. El motor Lohmann se fabricó sólo durante unos cinco años porque el control de la compresión (simultáneamente con el flujo de combustible) requería mucha práctica y porque incluso con un ajuste óptimo no proporcionaba más potencia que la que un conductor moderadamente en forma podría proporcionar sin ayuda.
El primer motor VCR construido y probado fue obra de Harry Ricardo en la década de 1920. Este trabajo lo llevó a idear el sistema de clasificación de octano que todavía se utiliza en la actualidad. Muchas empresas han estado realizando sus propias investigaciones sobre los motores VCR, incluidas Saab , Nissan , Volvo , PSA/ Peugeot - Citroën y Renault . [4] El Infiniti QX50 2019 está disponible con una versión de producción del motor de compresión variable turboalimentado. [5]
El diseño de Peugeot funciona variando la longitud efectiva de las bielas que conectan el pistón con el cigüeñal. Cuando la biela es más corta, la relación de compresión es menor y viceversa. En el lado izquierdo del diagrama se encuentra el pistón convencional de un motor de combustión interna. A la derecha se encuentra un cilindro hidráulico con pistón de doble efecto. Este actúa a través de un sistema biela-cigüeñal con una rueda dentada, cuyo movimiento ajusta la longitud efectiva de la biela y, por lo tanto, la relación de compresión en el cilindro izquierdo. [6]
SAAB Automobile reavivó el interés por la compresión variable cuando presentó su motor SVC al mundo en el Salón del Automóvil de Ginebra en 2000. SAAB había participado en un trabajo conjunto con la "Oficina de Tecnologías Avanzadas de Automoción" para producir un motor VCR de gasolina moderno que mostrara una eficiencia comparable a la de un diésel . El SAAB SVC fue una incorporación avanzada y funcional al mundo de los motores VCR, pero nunca llegó a producirse debido a la quiebra de la empresa en 2016.
El diseño, una implementación del motor Larsen VCR, [7] consistía en una culata monobloque, que contenía todo el mecanismo de distribución y el conjunto cigüeñal/cárter. Estas piezas estaban conectadas por un pivote que permitía un movimiento de 4 grados controlado por un actuador hidráulico. Este mecanismo permite variar la distancia entre la línea central del cigüeñal y la cabeza del cilindro. A diferencia del diseño de Peugeot, la longitud efectiva de la biela es fija. Se optó por un sobrealimentador en lugar de un turbocompresor para lograr el tiempo de respuesta necesario y una alta presión de sobrealimentación.
Para alterar la V c , el SVC 'baja' la culata más cerca del cigüeñal . Para ello, reemplaza el típico bloque de motor de una sola pieza por una unidad de dos piezas, con el cigüeñal en el bloque inferior y los cilindros en la parte superior. Los dos bloques están articulados entre sí en un lado (imagine un libro, acostado sobre una mesa, con la tapa delantera sostenida una pulgada o más por encima de la página del título). Al girar el bloque superior alrededor del punto de articulación, se puede modificar la V c (imagine el aire entre la tapa delantera del libro y la página del título). En la práctica, el SVC ajusta el bloque superior a través de un pequeño rango de movimiento, utilizando un actuador hidráulico .