Estudio de las modificaciones de un motor DI para su utilizacin en competicinIntroduccin El ser humano se ha diferenciado siempre del resto de los seres vivos por su capacidad de raciocinio, su inteligencia y su capacidad por aprender y mejorarse as mismo. Slo dentro de este afn de superacin tiene sentido hablar de competicin . La competicin est presente en cada aspecto de la vida humana, y por supuesto, la competicin en el mundo del automvil no iba a ser menos. En trminos generales definiremos el motor de carreras como un motor de combustin interna, basado en los mismos principios en que se fundan los motores empleados como equipos de serie de los automviles clsicos; diferencindolos de stos nicamente el hecho de que, para una misma cilindrada, el motor de competicin desarrolla una potencia muy superior debido a que ste trabaja sometido a ndices de compresin y regmenes de giro ms elevados que los motores de tipo comercial. Para obtener estos elevados incrementos en los factores de potencia y rgimen, los motores empleados en carreras deben poseer la totalidad de sus rganos mviles construidos de forma ms slida y ligera, as como elementos auxiliares ms perfectos que los empleados en la fabricacin de motores en serie. Lo mismo ocurre con el resto de mecanismos y accesorios complementarios, lo cual encarece notablemente el costo de estos motores deportivos. Tambin gran par te de los elementos fijos deben ser mejorados en los motores decompeticin al objeto de poder sopor tar los excesos de fatiga a que se hallan sometidos.

Juan Norverto Morigo

Ingeniero de I.C.A.I., especialidad mecnica, promocin del 89. He trabajado en Nissan Motor Ibrica de 1989 al 2000 en departamentos de diseo y de produccin. He cursado la primera edicin del Mster de Automocin de la UPM. Profesor y director de proyectos fin de curso en el I.C.A.I. y en la Universidad Carlos III. Director de desarrollo de filtros de combustible en Robert Bosch, divisin de gasolina.

Objetivos El objetivo del siguiente trabajo es estudiar las distintas modificaciones a las que se puede someter un motor de combustin interna alternativo (MCIA), alimentado con combustible Diesel, de inyeccin directa, sobrealimentado y de 2,2 litros, para su aplicacin en la competicin. Los distintos cambios y mejoras suponen una modificacin en el comportamiento del motor. La dinmica del motor se ve afectada, as como la fluidodinmica del mismo, y como resultado, la termodinmica del motor se ve tambin alterada. Es objetivo de este trabajo justificar y predecir las mejoras que introducen las distintas modificaciones que se efecten en la eficiencia del MCIA como consecuencia de un nuevo punto de funcionamiento del motor. El proceso que se lleva a cabo es el siguiente: Recopilacin de informacin y toma de datos de las prestaciones del motor de partida. Recopilacin de informacin de las posibles modificaciones: anlisis cualitativo. Toma de decisiones de las modificaciones que se llevarn a cabo. Anlisis cuantitativo de las distintas modificaciones. Simulacin y anlisis final del motor modificado.

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anales de mecnica y electricidad. Enero-Febrero 2002

Una restriccin a las que se ve sometido este estudio es que las modificaciones efectuadas no debern ser excesivamente costosas. El presupuesto final del proyecto no deber ser superior a 5 000 000 pts (30 050,60 euros). (Coste de Prototipo, no serie). Muchas de las modificaciones que se llevarn a cabo en este proyecto no son susceptibles de ser analizadas cuantitativamente con elevada precisin. Estas modificaciones son simuladas mediante un sopor te informtico, el programa AVL Boost. Aunque las estimaciones de las mejoras conseguidas son bastante fiables, gracias al modelo previo del motor de serie elaborado, stas deberan ser comprobadas con medidas reales en bancos de potencia. Si los resultados simulados de algunas de las modificaciones realizadas se desviasen en exceso de la medida real, stas deberan ser corregidas y vueltas a medir hasta encontrar un valor ptimo. Sin embargo, todas estas operaciones quedan fuera del alcance de este proyecto y se proponen para un estudio posterior.

llegar a desarrollar un modelo bastante aproximado y fiable del comportamiento del motor mediante el software utilizado. Aqu se muestra un esquema grfico del modelo creado para el motor de serie:

Trabajo realizado Primeramente era necesario crear un modelo mediante el programa de apoyo en este trabajo, AVL BOOST, que reflejase fielmente el compor tamiento del motor de serie para posteriormente poder analizar los resultados de las diferentes mejoras que se pudiesen introducir en el motor. Para ello es necesario tener un conocimiento casi perfecto de todos y cada uno de los parmetros del motor que se quiere modificar. Aqu se exponen los ms relevantes: Potencia mx84Kw a 4000rpm. Par mx247Nm a 2000rpm. Cilindrada2184cc. SobrealimentacinTurbocompresor. IntercoolerS. CombustinInyeccin Directa. AlimentacinBomba rotativa VP44. InyectorCentrado en cmara. Presin de inyeccin1500 bares (2 etapas). DistribucinCadena. rbol de levas2 en culata. EGRStep motor. Nivel emisionesCED III. CatalizadorS. Reglaje vlvulasPastillas calibradas. CulataAluminio 16v. As pues, partiendo de estos datos y otros muchos ms y de pruebas realizadas en banco de potencia del motor de serie se puede

Si se sigue el recorrido de una molcula de aire, sta entrara al motor por la par te superior izquierda. Se encontrara con el filtro y acto seguido atravesara el compresor del turbo. Seguidamente la molcula de aire se vera enfriada a su paso por el intercooler para dirigirse a los colectores de admisin y de all a los cilindros atravesando las pipas de admisin. Tras mezclarse con el combustible y sufrir la combustin, la mezcla ceder parte de su alta energa a la cabeza del pistn para impulsarle hacia abajo y poder as mover el cigeal. La energa que an le queda a la mezcla, tras salir del cilindro por los conductos de escape, la entrega a la turbina, que mueve el compresor. Si el compresor estuviese ya suministrando la presin suficiente a la admisin, esta mezcla quemada cortocircuitara su paso por la turbina debido a la apertura de la vlvula Waste Gate y saldra al exterior no sin antes atravesar el catalizador y dos equipos de silenciosos. Par tiendo de este modelo analizaremos ahora las diferentes modificaciones llevadas a cabo para lograr el aumento de prestaciones deseado.Ajuste del turbocompresor

Se han barajado varias lneas de modificacin. Primeramente se ha realizado un estudio del compor tamiento del grupo turbocompresor-motor que posee el motor deEstudio de las modificaciones de un motor DI para su utilizacin en competicin 31

serie. Lo que se busca es diferentes puntos de funcionamiento del motor a distintos regmenes en el mapa del turbocompresor. De esta forma se es capaz de obtener la eficacia con la que trabaja el equipo de sobrealimentacin en cada punto de funcionamiento real. En el presente caso esta adaptacin entre equipo de sobrealimentacin y motor est muy conseguida. Por ello se pasa a otra lnea de mejora que es la de variar la geometra del turbocompresor. Se han estudiado las posibilidades de otros turbocompresores acoplados al motor de serie analizando sus resultados. Se varan parmetros tales como el TRIM (relacin de dimetros de los rodetes al cuadrado) y el A/R que hace referencia a la geometra del rgano difusor (relacin de dimetros de la espiral del mismo). Sin embargo, las diferentes geometras probadas no alcanzan los niveles de efectividad que se conseguan con el modelo previo. As pues, una modificacin que siempre dar resultado, siempre que no sea crtica la presin alcanzada en la cmara de combustin es la de tarar la vlvula de apertura de la WASTE GATE a una mayor presin consiguiendo as un aumento del soplado del compresor ; lo que se traduce directamente en un aumento de la masa de aire que puede entrar al cilindro, y as mismo aumenta la potencia entregada por el motor. Se pas, por tanto, de una constante elstica del muelle que hace actuar la vlvula de 130.000 N/m a 280.000 N/m, con lo que fue conseguido un aumento de potencia de unos 10 Kw.Optimizacin de la distribucin

muy bien disminuir esta prdida de carga aunque ello implique tanto un mayor coste del motor, como un menor tiempo de vida del mismo. Aqu se muestran las diferentes actuaciones sobre las diferentes restricciones al flujo que ofrece el motor de serie. El filtro de aire convencional es cambiado por otro filtro de alto caudal que presenta una menor prdida de carga al aire que entra en los conductos de admisin. Los conductos de admisin y escape son pulidos con el fin de buscar un flujo ms laminar que suponga una menor restriccin. Tambin se opta por codos menos bruscos. Se eliminan dispositivos innecesarios para la futura aplicacin en competicin del motor como puede ser el EGR (Exhaust Gas Recirculation), el catalizador, la vlvula de control de torbellino y los silenciosos. Las mejoras obtenidas por este tipo de modificaciones se calculan por medio del programa de simulacin AVL BOOST.Mejora del efecto resonante (efecto RAM)

En este tipo de modificacin lo que se busca es ajustar al mximo los movimientos de las vlvulas con la idea de que se consiga el mejor llenado del cilindro posible pero sin que se produzca un alcance pistn-vlvula. Tambin un aumento del cruce de vlvulas del admisin y escape proporcionar un mejor rendimiento del motor a alto rgimen. A cambio de estas modificaciones va a disminuir notablemente la vida til del motor.Disminucin de restricciones al flujo

Se pueden aprovechar los efectos de las ondas de sobrepresin y depresin en el conducto de admisin para mejorar el llenado del cilindro. Cuando se abre la vlvula de admisin el aire que hay en la pipa de admisin entra en el cilindro, producindose un vaco en la pipa que avanza como onda de rarefaccin hasta llegar al colector de admisin, un ensanchamiento, por lo que se refleja una onda de sobrepresin que vuelve aguas abajo hacia el cilindro. Si esta onda llega antes de que la vlvula se cierre, se tendr una cantidad adicional de aire llenando el cilindro. Esta resonancia, por la escasa longitud del sistema, se producir a regmenes altos, por lo que se hace coincidir con el rgimen de potencia mxima para obtener un mayor valor de sta. Con ayuda del programa de simulacin AVL se es capaz de calcular la longitud que han de tener las pipas de admisin para conseguir este deseado efecto.Modificaciones en la Unidad Electrnica de Control (ECU)

Tanto los conductos de admisin como de escape presentan una serie de resistencias al flujo que crean una prdida de carga considerable que puede mermar las prestaciones del motor. Debido a la aplicacin para la que este motor ha sido proyectado se puede32 anales de mecnica y electricidad. Enero-Febrero 2002

La funcin ms impor tante que en este caso nos ocupa es el control que posee la ECU sobre el sistema de inyeccin de combustible. En funcin de la posicin del cigeal, la unidad electrnica de control sabe cundo tiene que dar la orden a la bomba de inyeccin para que inyecte el combustible

necesario.Tambin gobierna la presin de inyeccin del inyector y la cantidad de combustible a inyectar. Bsicamente son tres los parmetros que ms interesan a la hora de obtener la mxima potencia posible del motor: lugar y duracin de la inyeccin, presin de inyeccin y cantidad de combustible inyectado. En un primer anlisis cualitativo se puede afirmar que para obtener una ganancia en la potencia del motor, sobre todo a alto rgimen, habr que: Adelantar el punto de inyeccin. Aumentar la duracin de la inyeccin. Aumentar la presin de la inyeccin. Aumentar la cantidad de combustible inyectado. Todos estos parmetros pueden ser modificados en el modelo creado del motor de serie en el software empleado para la simulacin. De esta manera se es capaz de cuantificar la mejora y comprobar que se trabaja dentro de los lmites de seguridad de resistencia del motor antes de llevar a la prctica dichas modificaciones.Disminucin de las prdidas mecnicas

soportando el motor siempre a alto rgimen y a plena carga y, por tanto, siempre habr de pasar por el radiador. Analizando la bomba de refrigeracin que posee este motor de serie vemos que est sobredimensionada. Esta bomba de alimentacin del sistema de refrigeracin presenta las siguientes caractersticas: Tipo: Bomba centrfuga. Caudal: 182 l/min. Rgimen de la bomba: 4200 rpm. La energa por segundo que debe evacuar el agua debe ser del orden del 80% de la potencia mxima entregada por el motor. Tambin el salto de temperatura no debe ser superior a 10K, debido al material de la culata (Aluminio) que no sopor ta mayores saltos trmicos. Conociendo la mxima potencia que entrega este motor, 138Kw (como se puede apreciar en el apartado de conclusiones), se puede determinar el caudal de agua necesario que ha de suministrar la bomba.m.C.T m=2,64 Kg/s

Una forma de reducir las prdidas mecnicas y con ello poder transmitir mayor potencia del motor a las ruedas del vehculo, es emplear un aceite de baja viscosidad para la lubricacin de los diferentes componentes del motor. La baja viscosidad hace que exista una menor friccin entre los distintos componentes que trata de lubricar el aceite. El aceite aconsejado por el fabricante para este motor es un aceite multigrado 5W30. Sin embargo, debido a una aplicacin ms severa a la que se va a ver sometido este motor se ha optado por un lubricante de muy baja viscosidad destinado al mundo de la competicin como es el aceite multigrado 0W30 SAE CF / SH.Mejora de la refrigeracin

As pues, m=158,47 l/min