El desplazamiento variable es una tecnología de motores de automóviles que permite cambiar la cilindrada del motor , generalmente desactivando cilindros , para mejorar el ahorro de combustible . La tecnología se utiliza principalmente en motores grandes de varios cilindros. Muchos fabricantes de automóviles han adoptado esta tecnología a partir de 2005, aunque el concepto ya existía desde hacía algún tiempo.
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 solo alrededor del 30 por ciento de la potencia máxima de un motor. En estas condiciones, la válvula de mariposa 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 ser estrangulados tanto con carga ligera que la presión del cilindro en el punto muerto superior es aproximadamente la mitad de 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 su presión de fluido (aire). El funcionamiento 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 en funcionamiento, 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 de cilindros 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 de aire" en la cámara de combustión : los gases de escape atrapados (que se conservan de la combustión de carga anterior) se comprimen durante la carrera ascendente del pistón y empujan hacia abajo el pistón durante su carrera descendente. La compresión y descompresión de los gases de escape atrapados tienen un efecto de compensación: en general, prácticamente no hay carga adicional en 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 de cilindros 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 carga ligera. En el caso de un V12 , se pueden desactivar hasta 6 cilindros. [1]
Dos problemas que se deben superar con todos los motores de desplazamiento variable son la refrigeración desequilibrada y la vibración. [ cita requerida ]
El antecesor tecnológico más antiguo del motor de desplazamiento variable es el motor de impacto y falla , desarrollado a finales del siglo XIX. Estos motores estacionarios de un solo cilindro tenían un regulador centrífugo que dejaba fuera de servicio el cilindro siempre que el motor funcionara por encima de una velocidad establecida, normalmente 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 en el malogrado motor L62 "V8-6-4" de Cadillac . La tecnología se convirtió en una característica estándar en todos los modelos de Cadillac excepto Seville , que tenía el motor diésel V-8 de 350 como motor base. Cadillac, junto 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 motor de 8 a 6 o 4 cilindros en función de la cantidad de potencia necesaria. [3] El sistema original de desplazamiento múltiple apagaba pares opuestos de cilindros, lo que permitía que el motor tuviera tres configuraciones y desplazamientos diferentes. Los automóviles tenían un procedimiento de diagnóstico elaborado, que incluía mostrar códigos de problemas del motor en la pantalla del aire acondicionado. Sin embargo, el sistema era problemático, los clientes no lo comprendían 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 desplazamiento variable del Alfa Romeo Alfetta , llamada Alfetta CEM ( Controllo Elettronico del Motore , o Gestión Electrónica del Motor), y la mostró en el Salón del Automóvil de Frankfurt . [4] El motor modular de 2.0 litros y 130 CV (96 kW; 128 bhp) presentaba sistemas de inyección de combustible y encendido gobernados por una unidad de control del motor, que podía apagar dos de los 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 de inyección de combustible CEM sin desplazamiento variable, y casi en un 25% en comparación con el motor de 2.0 litros carburado de producción regular. [5] Tras la primera prueba, en 1983 se puso a la venta una pequeña serie de 1.000 ejemplares, ofreciéndose a clientes seleccionados; [4] se fabricaron 991 ejemplares. A pesar de esta segunda fase experimental, el proyecto no tuvo más desarrollos.
En 1982, Mitsubishi desarrolló su propio sistema de desplazamiento variable, el MD (Modulated Displacement), que demostró que esta tecnología, utilizada por primera vez en el motor de cuatro cilindros en línea 4G12 de 1,4 L de Mitsubishi , podía funcionar con éxito. [6] Debido a que el sistema de Cadillac resultó ser un fracaso y se utilizó un motor de cuatro cilindros, Mitsubishi calificó 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 durante la desaceleración. Las cifras de consumo de combustible mejoraron en general 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 irregular en modo de dos cilindros, a pesar de los soportes especiales del motor con amortiguación hidráulica. [10] Otros esfuerzos realizados para minimizar las vibraciones y la aspereza incluyeron una sección de tubo de escape flexible, no hacer funcionar el sistema hasta que la temperatura del refrigerante alcanzara 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 distribución variable de válvulas , se introdujo la variante MIVEC -MD. La tecnología MD recuperada se encontraba ahora en su segunda generación con controles electrónicos mejorados del motor que permitían que el cambio de 4 a 2 cilindros se hiciera casi imperceptiblemente. En el modo MD, el motor MIVEC utiliza solo 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 debido 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 se debe al sistema de distribución variable de válvulas, no a la función de desplazamiento variable. [8] El desplazamiento modulado se abandonó alrededor de 1996. [8]
Varias empresas han desarrollado sistemas de desactivación de cilindros para el mercado de repuestos, con distintos grados de éxito. La evaluación de la EPA de 1979 del Sistema de Desactivación de Cilindros Automotrices (ACDS), que permitía que los motores de ocho cilindros funcionaran con cuatro cilindros, descubrió que las emisiones de monóxido de carbono y óxido de nitrógeno aumentaron más allá de los límites legales de las normas de emisiones vigentes en ese momento. [13] Si bien se aumentó el ahorro de combustible, la aceleración se vio seriamente comprometida y la pérdida de vacío del motor provocó una pérdida peligrosa de la asistencia de frenado cuando el sistema estaba en modo de cuatro cilindros. [13] Además de estos problemas, si bien la empresa 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 utilizando herramientas manuales. [13]
En la actualidad, se utilizan dos tipos principales de mecanismos de desactivación de cilindros, según el tipo de tren de válvulas del motor. El primero es para los diseños de varillas de empuje , que utilizan solenoides para alterar la presión de aceite que se entrega a los pasadores de bloqueo de los elevadores. Cuando el pasador de bloqueo está fuera de lugar, los elevadores colapsan y no pueden elevar sus varillas de empuje compañeras debajo de los balancines de las válvulas, lo que hace que las válvulas permanezcan cerradas cuando la leva empuja la pieza en movimiento perdido.
El segundo tipo es para motores con árbol de levas en cabeza y utiliza un par de balancines bloqueados entre sí 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 el árbol de levas, el brazo desbloqueado permanece inmóvil y no mueve la válvula. [14] Con el control por computadora, la desactivación y reactivación rápidas de los cilindros ocurren casi instantáneamente. [15]
Varios fabricantes de automóviles tienen actualmente en producción motores con desactivación de cilindros.
La tecnología de desplazamiento variable con control activo de cilindros (ACC) de Daimler AG debutó en 2001 en el V12 de 5,8 L del CL600 y el S600.
Mercedes-Benz desarrolló su sistema de desplazamiento múltiple V12 a fines de la década de 1990, que apaga todos los demás cilindros en el orden de encendido. Se implementó ampliamente en los motores V8 de varilla de empuje a partir del DaimlerChrysler Hemi de 2004 .
A partir de 2003, Honda introdujo el sistema de gestión variable de cilindros en los motores de la familia J. El sistema de Honda funciona desactivando bancos de cilindros, pasando 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 la Generación IV ) que, de manera similar al MDS de Chrysler, apagaba la mitad de los cilindros. En 2018, GM introdujo un sistema mejorado llamado Dynamic Fuel Management [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 6.2L que lo incorpora fue nombrado uno de los 10 mejores motores de Ward para 2019.
En 2012, Volkswagen introdujo la tecnología de cilindros activos (ACT), siendo el primer fabricante en aplicarla en motores de cuatro cilindros. [19]
En noviembre de 2016, Ford anunció su compacto motor Ecoboost de tres cilindros con desactivación en uno de los cilindros. Se trata del motor más pequeño que utiliza desactivación hasta el momento y permitirá aplicar sus ventajas en coches 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, aproximadamente el 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 de Saab , que utilizaba un bloque articulado para mover los pistones más cerca o más lejos de la cabeza, cambiando así el tamaño de las cámaras de combustión. Otros sistemas experimentales incluyen el motor Hefley, que utiliza una pista de cigüeñal deslizante en un eje excéntrico, [24] y el motor de desactivación de pistones Scalzo, que utiliza un varillaje de cuatro barras y tiene la distinción de poder detener por completo los pistones individuales. [25] Actualmente no hay vehículos de producción que utilicen ninguno de estos diseños.
Además, algunos motores, como la serie Northstar de Cadillac y los motores Modular y Duratec de Ford , cuentan con un modo de seguridad en el que, si el motor se sobrecalienta o pierde refrigerante, el controlador del motor corta el combustible y genera chispas en la mitad de los cilindros. Si no se modifica el funcionamiento de las válvulas, los cilindros no combustibles enfriarían el motor por aire.