domingo, 23 de junio de 2013

CONOCIENDO EL COMMON RAIL

Motor New Holland, 6,7 L. 6 cilindros en línea preparado para tractor pulling
Un poco de historia
El common rail, Fiat y Bosch: El “invento” del common-rail se le debe atribuir a Fiat. Es el fabricante italiano el que primero aplica el sistema de alimentación common rail en sus motores diesel de inyección directa en su modelo Fiat Croma, es 1986.
En un principio se piensa imitar al motor de inyección de gasolina y así se obtiene el motor Turbo Diesel Inyección (TDI) Es un motor mucho más eficiente en la combustión que uno convencional (mejora las prestaciones y reduce el consumo), pero tiene un problema y es el ruido excesivo, sobre todo a bajos regímenes de giro.
Fiat inicia el proceso para mejorar el motor TDI, ¿Cómo? Pues o bien aislando mejor el motor (cosa alto improbable en los tractores) o bien ideando un nuevo sistema de inyección: el common rail (rail común o “rampa” de inyección). Así se hizo y en 1990 se tenían los primeros prototipos. En 1994 Fiat selecciona a  Robert Bosch como proveedor para que sean ellos los que concluyan el desarrollo y la industrialización. Bosch toma el testigo y entrega a Fiat en 1997 el primer sistema para que lo incorpore en un Alfa Romeo 156 JTD. Los resultados de este turbodiesel fueron espectaculares.

¿QUÉ ES EL COMMON RAIL?
Partes de un "common rail" (wikipedia)
Se trata de un sistema de inyección a alta presión pero a diferencia de otros muchos sistemas, el common rail gestiona la presión de inyección de forma independiente a las revoluciones o a la carga, además permite la preinyección.
El motor common rail es muy silencioso y tiene una respuesta tan brillante que se acercan mucho, mucho (a veces incluso los superan) a los gasolina. Además el common rail montado en un TDI reduce el consumo en cerca de un 20 % y mejora sus prestaciones respecto al TDI “desnudo”.
El éxito es tan rápido y espectacular que todos los fabricantes inmediatamente los siguen. Además las siguientes “generaciones” mejoran la inicial (denominada Unijet en la cual se hacían dos inyecciones por ciclo) y así aparece el motor Multijet (mediante la electrónica consigue que los inyectores hagan más inyecciones por ciclo. La cantidad de gasóleo por ciclo es la misma pero se reparte más para tener una combustión gradual)
La presión dentro del conducto común ronda los 1500 bar, esto es una enorme presión (la presión de un sistema de inyección de gasolina no supera los 10 bar

Common rail de Bosch
LAS VENTAJAS
El sistema de inyección con acumulador destaca sobre todo por su flexibilidad permitiendo que se adapte perfectamente al funcionamiento motor. Con el sistema tradicional de propulsión por bombas rotativas con sus levas de accionamiento la presión y la inyección están juntas pero con el common rail son independientes. La presión de inyección es independiente del régimen del motor y del caudal de inyección.
El sistema sin embargo no puede funcionar sin control electrónico que programe el momento de inyección, la presión, etc. Una electroválvula permite las inyecciones sobre cada cilindro y en cada ciclo.
Common rail frente a inyección convencional
Motor Sisu (grupo AGCO) en el banco de pruebas
En los tractores con sistema convencional de inyección (bomba rotativa o en línea) la presión y la dosificación del gasóleo, al igual que la distribución, van relacionados. Esto que es simple y sobre todo es la única forma posible de conseguirlo con sistemas 100 % mecánicos tiene inconvenientes pues se entiende que la presión de inyección será más alta cuanto mayor sean las revoluciones, la presión de inyección no es homogénea durante el tiempo de apertura del inyector.
Por todo ello en un motor convencional un caudal de inyección pequeño se inyecta con presión más baja impidiendo que el motor a bajo régimen desarrolle todo su potencial penalizando por ejemplo a los conductores que les gusta “no acelerar” el motor.
Con el "Common Rail" la presión es independiente de la dosificación y de la inyección de combustible: presión de inyección constante e independiente del número de vueltas a la que gire el motor. Pero es que además el sistema common rail es mucho más flexible y se puede estar regulando constantemente el retraso o avance de la inyección originando motores mucho más elásticos.

Motor Common Rail
PARTES DE UN SISTEMA COMMON RAIL
Ante todo un sistema common rail consta de una pieza que hace de reservorio de gasóleo a muy alta presión y luego un conjunto de sensores que mandan las informaciones recogidas a la Unidad de Control Electrónico (UCE) que es el cerebro del sistema y quien ordena a los inyectores cuando, como y cuantas inyecciones hacer. Es decir, la UCE (ECU en sus siglas inglesas) entiende lo que quiere el conductor (lo hace a través del sensor de posición del pedal del acelerador)
Los sensores “normales” que se usan en el sistema son:
  • Sensor de revoluciones del cigüeñal (hay sistemas que sólo tienen uno, pero otros sistemas también llevan un sensor de revoluciones del árbol de levas porque así se determina el orden de encendido o la fase de cada cilindro)
  • Sensor medidor de masa de aire: adapta la combustión conforme al software diseñado para controlar las emisiones de humos
  • Sistema Multijet
  • Potenciómetro de posición del pedal del acelerador: con esta señal se interpreta la solicitud de par motor
  • Sensor de presión de sobrealimentación del colector de admisión del turbo
  • Sensor de presión del reservorio (rail)
  • Sensor de temperatura del liquido refrigerante: es importante controlar la temperatura porque si es baja y el motor está frío la UCE adapta la inyección para este régimen provisional
  • Puede haber otros como sensor de temperatura de aire de admisión…
Todos envían las señales recibidas en código binario a través de líneas de datos a la UCE que es la que influye sobre el motor, controlando y regulando la inyección del combustible en el momento preciso y con la presión y el caudal óptimo lo cual consigue reducir el consumo pero también las emisiones de humos.

Conexión de datos ISObus Massey Fergusson
Los modernos motores utilizan sistemas de transmisión de datos CANbus que permite el intercambio de datos con otros sistemas electrónicos del vehículo (ASR, control electrónico del cambio…) o fuera del vehículo (empacadora, sembradora…

martes, 18 de junio de 2013

CALCULA LA PRESIÓN IDEAL PARA TU NEUMÁTICO AGRÍCOLA

Neumático baja presión y flancos "deformables"
LA IMPORTANCIA DE LA PRESIÓN
Algunos agricultores se habrán dado cuenta de que últimamente es habitual encontrar tractores calzados con neumáticos “con poca presión”. Llaman la atención porque parece alarmante la falta de presión, pero no es así, son unos neumáticos diseñados para funcionar así y parece que funcionan bien: reducen la compactación, reducen el consumo y aumentan la capacidad de tiro. En una futura entrada trataremos de estos neumáticos.
Poca compactación
Ahora lo que quiero resaltar es la que he considerado una iniciativa interesante. Se trata la que ha puesto en marca el grupo Michelín que ha puesto en Internet una calculadora de presiones sencilla y eficaz. Con la herramienta lo que se pretende es que el agricultor pueda saber en el momento que lo desee cual es la presión óptima para sus neumáticos.

EL NEUMÁTICO POLIVALENTE
Un neumático agrícola tiene “valor” igual vale para hacer transporte como para hacer una labor de tiro con una vertedera de 9 cuerpos, igual vale para ir sobre asfalto que sobre terrenos pedregosos con piedras que “cortarían” como mantequilla a cualquier otro neumático. Además el tractor es polivalente y eso significa que debe adaptarse a diferentes máquinas, diferentes mecanismos, diferentes exigencias, en todas las estaciones y condiciones atmosféricas.
Massey 7600 haciendo pruebas de consumo con varios neumáticos
Está clara que controlar la presión del neumático y elegir la mejor para cada momento es esencial para el ahorro y para hacer un buen trabajo reduciendo la compactación. Resaltamos en estas líneas la herramienta de Michelín para ayudar al tractorista (la calculadora de presiones está disponible en pinchando aquí 
Además la herramienta sirve no sólo para neumáticos de tractor si no para cosechadoras, remolques, pulverizadores arrastrados, etc. Una "pega": Efectivamente, hay una "pega" y es que la calculadora solo sirve para neumáticos Michelin. Por una parte parece lógico puesto que es una aplicación del fabricante francés pero por otra... 

LA CALCULADORA

La “calculadora” ideada por Michelín es muy pedagógica. Se elige la máquina. Se eligen los neumáticos que se incorporan, la velocidad de trabajo y ya se obtiene la sugerencia de la presión idónea.
La “calculadora” de presiones además permite que el agricultor guarde su perfil y sus configuraciones de trabajo.
En breve, la aplicación estará disponible también para dispositivos móviles.

martes, 11 de junio de 2013

EL TURBOCOMPRESOR, LA VIEJA NOVEDAD


Planta propulsora tractor VALTRA
DE NUEVO EL TURBO
Hace unos meses realicé la entrada “el turbocompresor ¿eficiencia o marketing?” en la cual “criticaba”, ligeramente el excesivo protagonismo que se daba a la palabra “turbo” en los motores agrícolas cuando se estaban utilizando presiones de soplado en exceso “humildes” y por lo tanto no incrementaban la potencia tanto como se pudiera pensar.
Aquella opinión fue un tanto criticada por algunos fabricantes que si bien reconocieron la “humildad” de las sobrepresiones también “daban fe” del incremento de potencia de forma apreciable. Como el turbocompresor en motor agrícola ya llegado para quedarse pues toca volver a hablar de él.

TURBO: ¿COMO CONVERTIR LO HUMILDE EN EXCELSO?
Las retransmisiones televisivas de F1 tienen sus seguidores. Lo noto porque desde hace unos meses se me pregunta por mi opinión en torno a la vuelta del empleo de motores sobrealimentados en la F1.
La F1 es un “escaparate” de alta tecnología en el sector automovilístico, muchas de las conclusiones obtenidas allí se ven más tarde en la calle. La próxima temporada será de nuevo el momento de ver como los fabricantes de motores de competición de F1 logran demostrar como unos motores pequeños, “poco revolucionados” pero sobrealimentados pueden igualar las cifras de potencia de los motores “gordos”.
En el 2014 los motores de los F1 cambiarán su arquitectura actual V8 a V6, con una “miserable” cilindrada de ¡1600 cc! Y girando sólo a 15000 rev min-1 (ahora el limitador está en 19000 vueltas) además la inyección será “mixta” con un 75 % de inyección directa y un 25 % de indirecta pero eso sí ¡el turbo podrá girar hasta las 125000 vueltas!
Motor Honda F1
¿Será una “birria” de motor? Pues no, ya los fabricantes han dicho que conseguirán hasta 850 CV en calificación (en carrera la potencia bajará pues no podrán sobrepasar un consumo determinado y no se podrá repostar en carrera)
El turbo de un tractor no hace tales maravillas, entre otras cosas porque gira más “lento” y con unas presiones de soplado muy inferiores (No se publicitan los datos de sobrepresión pero suele ser normal encontrar cifras entre 0,8 y 1,5 bares)

¿PARA QUÉ SIRVE?
El turbocompresor o “turbo” es un mecanismo que aprovecha la fuerza de salida de los gases de escape para mover una turbina que a través de un eje común mueve un compresor. El compresor esta colocado en la entrada del colector de admisión. El compresor eleva la presión del aire que entra a través del filtro y consigue que mejore la alimentación del motor.
Las velocidades de giro están por encima de las 100.000 rpm, y eso significa que el engrase de los cojinetes será un punto de máxima atención. También hay que saber que las temperaturas a las que se va ha estar sometido el turbo en su contacto con los gases de escape van a ser muy elevadas (alrededor de 750 ºC)

ELEMENTOS de un turbocompresor
Turbo Garret
Los elementos principales que forman un turbo son:

  • La Turbina: recibe el empuje de los gases de escape sobre los álabes. El movimiento de rotación lo transmite a través de un eje común
  • El Compresor: recibe el movimiento de la turbina. Su diseño le permite comprimir el aire atmosférico incorporándole una sobrepresión y lo “empuja” hacia el colector de admisión
  • El eje común: une turbina con compresor. Va apoyado y gira sobre cojinetes. Es el punto crítico del diseño del turbo
  • Válvula de descarga (wastegate): Si el turbo sufriese una aceleración constante a medida que el motor sube de revoluciones y si no hubiese limite alguno en el giro de la turbina se podría llegar a elevar demasiado la presión. La wastegate es el limitador de presión en el colector de admisión (como la espita de seguridad en una olla a presión) y se sitúa en derivación mandando parte de los gases de escape a la salida sin pasar por la turbina
  • Intercooler (Intercambiador de calor): Componentes del turbo en contacto con los gases de escape llegan a alcanzar los 700 ºC pero otros en contacto con el aire de aspiración solo alcanzan 80 ºC, es decir, un enorme gradiente de temperatura concentrada en la misma pieza, el eje común. Además la altísima temperatura de los gases de escape repercute negativamente en la temperatura del aire de admisión (a menor temperatura mayor densidad del aire y por consiguiente mayor riqueza de oxígeno, por eso se intenta pasar aire “fresco” a los cilindros) La solución está en incorporar un sistema de enfriamiento del aire con un radiador (intercooler) del tipo aire/aire (normalmente usa el ventilador del motor) que consigue refrigerar el aire aproximadamente un 40% desde 100°-a 60° con una mejora de la masa de aire (25-30 %) que se traduce en reducir consumo y contaminación y aumentar potencia y par motor.

TURBO DE MOTOR DIESEL O GASOLINA: ¿SON IGUALES?
Diseño de un turbo (cortesía de turbochargers)
NO, no lo son. Los gases de escape en un motor de gasolina están a una temperatura de 200-300 ºC superior a los diesel y por eso casi se generaliza las carcasas del turbo con refrigeración líquida en el turbo de gasolina.
Una de las “averías” más frecuentes en los turbo es el “pegado” debido a que la turbina se “pega” a la carcasa ya que se queda carbonizado el aceite para lubricación y refrigeración, también el gripado de los cojinetes. Bueno pues la avería es más frecuente en los motores de gasolina que en diésel se produce más en motores de gasolina que en diésel.
Para evitar la avería se recomienda que tras un trabajo intenso del motor y antes de apagarlo se mantenga el motor unos instantes al ralentí. Existen motores que incluso cuando se para el motor una bomba eléctrica de agua refrigera la carcasa y se regula por un termostato.

El futuro del turbocompresor
Motor New Holland
Queda mucho potencial de desarrollo. Las líneas maestras de mejora de los fabricantes punteros están en la optimización de las técnicas de fabricación:

  • Reducir el grosor de las paredes del carter de turbina (menos peso significa menos inercia de respuesta)
  • Materiales novedosos. Por ejemplo turbinas fabricadas en aleación de titanio y aluminio (aleación que de nuevo significa ligereza)
  • Carcasa de la turbina y colector de escape fabricados en una sola pieza. La técnica permite ahorro (no existe brida de sujeción) y mejora del sellado

INCONVENIENTES DEL TURBO
Un turbo convencional a bajas revoluciones apenas mueve a la turbina, es decir, no “sopla” e incluso se comporta peor que un motor “atmosférico”. Para evitar el inconveniente los fabricantes optan por varias soluciones:

  • Turbo pequeño: son capaces de comprimir el aire de aspiración desde bajas revoluciones aunque tienen otro inconveniente y es que no son capaces de comprimir el aire necesario cuando el motor está a plena potencia
  • Turbocompresores “pequeños” hermanados: Se colocan dos turbocompresores pequeños en vez de uno grande (sobre todo en motores en "V" o 6 cilindros), también es frecuente el biturbo. En este caso se hermanan de forma escalonada teniendo uno “pequeño” a bajas vueltas y el “grande” para régimen de giro elevado
  • Geometría variable (VTG): Mejora el rendimiento del turbo en todo el régimen de revoluciones. Se usa mucho en motor diésel de alta especificación y es que el detalle importa (en gasolina se usan menos ya que las altas temperaturas de los gases de escape dan problemas en los álabes) El VTG utiliza una corona donde se montan unos álabes móviles capaces de regular el ángulo de ataque del aire. Si el motor gira a bajas revoluciones los álabes disminuyen la sección entre ellos y al aumentar las revoluciones del motor los álabes se mueven para disminuir la velocidad de los gases de escape. El motor no dispone de válvula wastegate (al limitar la velocidad de la turbina con altas revoluciones se disminuye la presión en el colector)
La sensación para el conductor de un VTG es que aumenta la progresividad en la entrega de potencia. Mejora mucho las curvas del motor ofreciendo cantidad de par desde bajas revoluciones y lo mantiene en una amplia franja de vueltas.
La gestión de la posición de los álabes es electrónica (el control se basa en multitud de parámetros: revoluciones motor, presión atmosférica, temperatura de los gases de escape y del aire de admisión e incluso se puede admitir la posibilidad de que el conductor elija conducción “tranquila” o “deportiva”)
El inconveniente de este tipo de turbo ya se sabe: el precio.
Gestión electrónica: Consigue que la presión de soplado se regule de forma más “fina” que con control mecánico y se toman “decisiones” inmediatas para regular el comportamiento del turbocompresor: Una electroválvula es la llave de paso que regula la presión. La electroválvula se gestiona desde la ECU que decide la presión a la que abre el bypass de la wastegate, recibe las instrucciones del conductor o de las necesidades de potencia, por ejemplo un pico de tiro del apero, y así ir modificando de forma continua el valor de la presión de soplado.
En algunos motores agrícolas modernos con Common Rail y gestión electrónica puede ocurrir que se controle la presión de soplado del turbo con una bomba de vacío. La disposición con bomba de vacío es cada vez más habitual al encontrar motores con válvula EGR (recirculación de gases de escape) que también funcionan por vacío.

Para ampliar: revista Agricultura, mayo 2013