Los motores turbocargados de BMW M, ahora con rendimiento mejorado

Esta innovación podría ser incluido de serie en los modelos de la marca.
Fotos: BMW Group.

BMW M presentó su reciente innovación: agregar inyectores de agua a sus propulsores turbocargados para mejorar su rendimiento; sistema que será estrenado en el M4 que hará las veces de Safety Car en el MotoGP.



Por: Diego A. Sánchez Acosta.
En Twitter: @diegosnz

Teniendo en cuenta que en el MotoGP se dan cita los mejores pilotos del mundo en las dos ruedas, BMW quiso tomar parte de ese protagonismo con el BMW M4 MotoGP Safety Car, un auto que puede presumir de impresionantes cifras en sus prestaciones.Con esto en mente, los ingenieros de BMW M han montado en el propulsor de alto rendimiento una innovadora inyección de agua que aumenta considerablemente la potencia del motor.

Esto, además de aumentar el rendimiento y el par motor, el innovador sistema en el BMW M4 MotoGP Safety Car también asegura una eficiencia sobresaliente, que beneficia el consumo y las emisiones de escape a plena potencia. Como producto vanguardista en la innovación de la marca, este repotenciado Safety Car también abre el camino para el posible uso de esta tecnología en los futuros modelos de serie.

Hasta ahora, el alto rendimiento potencial del motor sobrealimentado de seis cilindros en línea siempre ha estado expuesto a una demanda particularmente alta en la gestión de la temperatura del motor y sus sistemas auxiliares. Con el fin de garantizar las temperaturas óptimas de funcionamiento en todo momento, BMW M ha confiado en un sistema de refrigeración tan innovador como eficaz. Junto al radiador principal, unos radiadores adicionales también garantizan el control equilibrado de temperatura para los circuitos de alta y baja temperatura, así como para la transmisión y el turbocompresor. El aire de escape, que es calentado por el turbocompresor, se enfría mediante refrigeración indirecta con el apoyo de una bomba de agua eléctrica adicional.

En este propósito, se utiliza el efecto físico del agua durante el proceso de vaporización para extraer la energía necesaria a partir del medio ambiente. El agua es inyectada en el colector de admisión como una pulverización fina, enfría significativamente el aire de escape durante la vaporización. Esto reduce la temperatura de descarga en la cámara de combustión y por lo tanto reduce la tendencia a detonaciones fuera de tiempo. Esto significa que el motor turbo puede trabajar a una presión de carga superior y un punto de ignición adelantado. Las temperaturas de proceso más bajas también reducen la formación de sustancias peligrosas, y del óxido de nitrógeno (NOX) en particular.


En grandes rasgos, este es el novedoso sistema de pulverización de agua.
Fotos: BMW Group.

El mecanismo de la inyección de agua en detalle
El rendimiento alcanzable por un motor de combustión está limitado por varios factores, incluyendo la temperatura de proceso en la cámara de combustión. Si se supera esta temperatura, el resultado es una combustión incontrolada (detonaciones fuera de tiempo) y por lo tanto una pérdida de rendimiento y, en el peor de los casos, costosos daños al motor. Esto es particularmente importante con carga de motor, ya que el aire ha sido calentado intensamente en la compresión del turbo. Un intercambiador de calor asegura que la temperatura disminuya a medida que sea necesario, pero incluso eso tiene unos límites físicos. Dependiendo del diseño y dimensiones del sistema de refrigeración y la aerodinámica del coche, el aire de admisión alcanza temperaturas que están justo por debajo de las temperaturas máximas permitidas. El aumento de la presión de sobrealimentación podría exceder el límite de detonación y por tanto no es un método viable para aumentar el rendimiento.

BMW M tiene una solución: la inyección de una pulverización fina de agua en el colector reduce significativamente la temperatura del aire de combustión. El aire más frío del compresor reduce la tendencia del motor a las detonaciones fuera de tiempo, por lo que es posible adelantar el punto de ignición y por lo tanto llevarlo más cerca del valor óptimo. Esto hace que el proceso de combustión sea más eficaz, mientras se reduce la temperatura de combustión. Por otro lado, el aire frío tiene una densidad mayor, lo que aumenta el contenido de oxígeno en la cámara de combustión. Esto se traduce en una presión media más alta durante el proceso de combustión que a su vez optimiza el rendimiento y el par motor. Finalmente, el enfriamiento interno efectivo de la cámara de combustión reduce el esfuerzo térmico en numerosos componentes relacionados con el rendimiento. Esto no sólo evita daños a los pistones, las válvulas de escape y catalizadores, sino también reduce el esfuerzo térmico en el turbocompresor que se somete a temperaturas de escape más bajas.

En el siguiente video se ilustra de forma completa el funcionamiento de dicha innovación.




Con lo anterior, queda demostrado que la inyección de agua mejora de manera espectacular la eficiencia del motor. Dicha tecnología aumenta el rendimiento y el par motor, mientras que garantiza unas cifras extraordinarias de consumo y de emisiones. Como tal, se puede lograr un rendimiento mejor sin aumentar el calor aplicado a los componentes relacionados con el mismo, es decir, la fiabilidad de estas piezas no se ve afectada. Las ventajas de la inyección de agua se pueden utilizar de diferentes maneras, dependiendo del motor y el diseño del vehículo. Como tal, los ingenieros tienen relativamente vía libre para decidir en qué medida desean optimizar bien el rendimiento o el consumo del motor.


Resolviendo un conflicto de objetivos
El uso de inyección de agua para aumentar el límite de detonación también ayuda a resolver en gran medida un conflicto familiar en el diseño de motores de elevada potencia. El rendimiento y el consumo no están del todo determinados por la relación de compresión. Esto también se aplica, en particular, a los motores turbo altamente sobrealimentados como el BMW M TwinPower Turbo de seis cilindros en línea. Gracias a una alta relación de compresión, este motor es altamente eficiente y cuenta con bajas cifras de consumo, especialmente a régimen de carga parcial. Sin embargo, la relación de compresión máxima está limitada por la tendencia a la detonación cuando está a plena potencia.

La inyección de agua también es muy beneficiosa aquí, ya que reduce la tendencia del motor a detonar fuera de tiempo, mientras aumenta la relación de compresión. De esta manera, el motor turbo puede lograr un rendimiento óptimo en un amplio margen de uso. El potencial de la tecnología aumenta más cuanto menor es el octanaje del combustible utilizado. Como el combustible de 98 octanos no está disponible en todas partes del mundo, la inyección de agua ayuda a lograr el rendimiento y el consumo óptimo de un motor con el combustible de 95 octanos.


La implementación de la tecnología en el BMW M4 MotoGP Safety Car
Al colocar la inyección de agua, los ingenieros de BMW M optaron por un diseño con tres inyectores en la cámara del pleno, cada uno suministrando a dos cilindros de los seis cilindros del motor en línea. Esta solución asegura una distribución ideal que también permite que el sistema sea diseñado de manera compacta. En el maletero del BMW M4 MotoGP Safety Car está situado un tanque de agua con un volumen de alrededor de cinco litros, que alberga la bomba de agua, los sensores y las válvulas. La bomba y el sistema completo de sensores y elementos de accionamiento están controlados por la electrónica del motor, que se ha actualizado en consecuencia.


El BMW M4 Safety Car, totalmente equipado para hacer su trabajo.
Fotos: BMW Group.

En la práctica, la bomba alimenta de agua a los inyectores a una presión de diez bares, con lo cual se suministra el volumen apropiado dependiendo de la carga, la velocidad del motor y la temperatura. Esto asegura que el consumo de agua se mantiene al mínimo absoluto. En conducción en circuito, siempre resulta necesario rellenar el suministro de agua cada vez que el vehículo deba recargar combustible. Durante un funcionamiento normal, el intervalo entre las recargas de agua es considerablemente más espaciado, dependiendo del estilo de conducción. Incluso cuando se conduce rápido en autopista, sólo es necesario volver a llenar el recipiente de agua cada cinco recargas de combustible aproximadamente. Para asegurarse que el sistema sea adecuado para un uso diario, no requiere ningún mantenimiento adicional.


Máxima seguridad del sistema
Por razones de seguridad, la inyección de agua del BMW M trabaja con un sofisticado diagnóstico automático. En caso de que el depósito de agua se quede vacío o falle alguna parte del sistema, se tomarán las medidas adecuadas para proteger el motor. La presión de sobrealimentación y el punto de ignición se cancelan, permitiendo que el motor continúe operando sin más limitaciones que un menor rendimiento. Después de parar el motor, el agua es transportada de vuelta desde las tuberías al tanque, con el fin de evitar que los componentes del sistema se congelen a temperaturas bajo cero. El propio tanque de agua es a prueba de congelación
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