Antes de adentrarnos en los detalles, aclaremos primero un concepto fundamental:
La capacidad de salida de un motor depende de su capacidad de admisión de aire.
Repitámoslo:
La capacidad de salida de un motor depende de su capacidad de admisión de aire.
Comprender esta afirmación te ayudará a asimilar muchos conceptos relacionados con los motores de automóviles. Los motores de automóviles son motores de combustión interna, donde el combustible se quema dentro de los cilindros, creando gases a alta temperatura y alta presión que empujan los pistones para realizar trabajo. Este movimiento alternativo de los pistones se convierte en movimiento rotacional mediante el cigüeñal, lo que finalmente produce energía mecánica.
Un término que usamos con frecuencia es «alimentación de combustible». Esto puede crear la ilusión de que, para aumentar la potencia del motor, simplemente necesitamos inyectar más combustible en los cilindros.
Sin embargo, en realidad, cuando pisamos el pedal del acelerador, lo que estamos ajustando es la apertura de la válvula del acelerador, permitiendo que entre más aire en el motor. Solo después de que el motor haya confirmado que ha entrado más aire, aumentará la inyección de combustible, y entonces sentirás el aumento de potencia.
Comprender este punto nos permite continuar con nuestra discusión, ya que todo el contenido posterior gira en torno a la admisión de aire del motor.
Hablemos del desplazamiento.
El desplazamiento del motor es un concepto puramente relacionado con el espacio físico. La fórmula del desplazamiento es:
Desplazamiento = Volumen de trabajo del cilindro × Número de cilindros
La fórmula del volumen de trabajo del cilindro es:
Volumen de trabajo del cilindro = Carrera del motor × Área de la sección transversal del cilindro = Carrera × π × (Diámetro del cilindro)² ÷ 4
El significado físico específico es que cuando el pistón se mueve desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior, el espacio físico dentro del cilindro del motor es el desplazamiento. Algunas respuestas sugieren que el desplazamiento representa el «volumen de fluido inhalado o exhalado por carrera o por ciclo». Esta opinión es algo errónea o, al menos, incompleta en su definición. Para los gases, el concepto de volumen debe coexistir con los conceptos de temperatura y presión. El desplazamiento es simplemente una definición de espacio físico y no equivale a la cantidad real de aire inhalado ni al volumen de gases expulsados después de la combustión. El ejemplo más simple: tanto los motores 2.0T como 2.0L tienen un desplazamiento de 2.0L, pero la potencia de un motor 2.0T es aproximadamente un 50% mayor que la de un motor 2.0L. La diferencia fundamental no radica en que el motor 2.0T inyecte un 50% más de combustible que el motor 2.0L, sino en que el motor 2.0T toma un 50% más de aire.
La fórmula para el volumen de aire inhalado por cilindro por ciclo (bajo condiciones de presión y temperatura ambientales) es:
Volumen de admisión de aire del cilindro (Presión/Temperatura Ambiental) = Desplazamiento del cilindro × Coeficiente de llenado × Coeficiente del colector de admisión
El coeficiente de llenado se define como: la relación entre el volumen de aire inhalado por cilindro por ciclo, convertido al estado del colector de admisión (presión/temperatura), y el desplazamiento físico de un solo cilindro.
El coeficiente del colector de admisión se define como: la relación entre el volumen de una unidad de aire bajo presión/temperatura atmosférica ambiental y el volumen de ese aire bajo el estado del colector de admisión (temperatura/presión).
Una ilustración simple es la siguiente:
Si equiparamos la presión/temperatura atmosférica ambiental con la presión y temperatura atmosférica estándar, entonces podemos establecer una correspondencia estándar entre el volumen y la cantidad de aire fresco. De este modo, el impacto del desplazamiento en la capacidad del motor para realizar trabajo, así como las medidas que podemos tomar, se vuelven más claros.
Recordemos la afirmación que hice al principio: la capacidad de salida de un motor depende de su capacidad de admisión de aire. El desplazamiento del motor es la base física de la capacidad del motor para realizar trabajo. Con la misma configuración técnica, cuanto mayor sea el desplazamiento, mayor será la capacidad del motor para generar potencia y torque.
Sin embargo, el desplazamiento solo determina el volumen, y como mencioné anteriormente: para los gases, el concepto de volumen debe coexistir con los conceptos de temperatura y presión.
Observa esta ilustración:
El tamaño de V2 está directamente afectado por Vs. Sin embargo, el tamaño de V0 no solo depende de V2 o Vs, sino también de las diferencias entre P2 y T2, y la temperatura y presión ambientales.
En términos más simples, con el mismo desplazamiento, la cantidad real de aire que ingresa por ciclo en el cilindro del motor está relacionada con la temperatura de admisión (T2) y la presión de admisión (P2). Cuanto menor sea la temperatura de admisión y mayor la presión de admisión, mayor será la cantidad de aire admitido y más fuerte será la capacidad del motor para realizar trabajo.
Hablemos de la presión de admisión.
En los motores de aspiración natural, toda la potencia de admisión de aire proviene del vacío creado durante la carrera de admisión. Por lo tanto, es esencial diseñar el colector de admisión de manera eficiente, reducir la resistencia de admisión de aire y aprovechar la resonancia de admisión, evitando interferencias con la eficiencia de admisión. Generalmente, los motores con más de 1.5L de desplazamiento utilizan colectores de admisión de longitud variable para optimizar el rendimiento.
Por esta razón, los motores de aspiración natural a menudo tienen una estructura de colector de admisión grande y compleja, mientras que los motores turboalimentados son relativamente simples. Los motores turboalimentados son más directos, ya que dependen de la presurización directa, reduciendo la necesidad de una investigación exhaustiva sobre el flujo de aire en el colector de admisión.
Además, los motores de ciclo Atkinson y ciclo Miller, que ajustan el mecanismo de válvulas para cerrar la válvula de admisión temprano durante la carrera de admisión o mantener la válvula de escape abierta después del inicio de la carrera de compresión, también pueden reducir el volumen de admisión real. Esto genera una situación en la que la relación de expansión es mayor que la relación de compresión y crea una discrepancia entre el desplazamiento y el volumen de admisión real.
Hablemos de controlar la temperatura de admisión (T2).
En términos sencillos, el objetivo es reducir la temperatura de admisión tanto como sea posible para aumentar la densidad del aire.
Esto es especialmente importante para los motores turboalimentados. A medida que el vehículo toma aire del entorno, el aire se calienta por la temperatura de los gases de escape durante el proceso de sobrealimentación. Esto resulta en una mayor temperatura de admisión, lo que a su vez conduce a una densidad de aire insuficiente y un menor volumen de admisión real para el mismo volumen. Para solucionar este problema, es necesario enfriar el aire, y esta estructura del motor se llama intercooler.
El intercooler utilizado en la mayoría de los motores es un intercooler aire-aire, que enfría el aire de admisión utilizando el aire como refrigerante. Este componente suele formar parte de la estructura del compartimento delantero del vehículo y se ve algo así:
El enfriamiento por aire definitivamente no es tan eficiente como el enfriamiento por agua. Para motores de alto rendimiento, la proporción de sistemas de enfriamiento por agua ha aumentado en los últimos años, lo que mejora aún más la respuesta de torque.
Resumamos:
El desplazamiento de un solo cilindro es el espacio físico entre las carreras ascendentes y descendentes del pistón en el cilindro del motor. Es la base para el volumen de admisión de un motor. A través de la sobrealimentación, la reducción de la resistencia de admisión, el ajuste de los perfiles de las válvulas de admisión y escape y sus estrategias de fase, así como la modificación de la temperatura del aire de admisión mediante intercoolers, se puede modificar aún más el volumen de admisión real. Y el volumen de admisión real determina el rendimiento del motor.
Hablemos de caballos de fuerza, potencia y torque.
El caballo de fuerza es una unidad de potencia.
La definición más antigua de caballo de fuerza era: un caballo con una fuerza de tracción de 180 libras puede hacer girar una rueda hidráulica con un radio de 12 pies, 144 revoluciones en una hora. Esto se calcula como 33,000 pies-libras/minuto, lo que fue denominado 1 caballo de fuerza, equivalente a 746W hoy en día.
Las definiciones de potencia y torque:
Académicamente, se debería llamar potencia efectiva del motor, la cual se define como el trabajo efectivo realizado por el motor en una unidad de tiempo.
La potencia efectiva del motor se obtiene a través de una prueba con dinamómetro bajo condiciones específicas de trabajo. Se mide el torque de salida Ttq y la velocidad del motor n. La fórmula es:
Potencia = Torque × Velocidad de rotación.
Si la unidad de potencia efectiva Pe es kW, la unidad de torque Ttq es Nm, y la unidad de velocidad n es rpm (revoluciones/minuto), entonces la fórmula es:
El torque es un tipo de momento de rotación, mientras que la potencia considera la cantidad total de trabajo en una unidad de tiempo.
Muchas personas se confunden entre potencia y torque, principalmente porque no entienden si deben fijarse en la potencia o en el torque para evaluar el rendimiento de un automóvil.
Un ingeniero automotriz discutió específicamente este tema con muchas personas. Quería explicar que la aceleración de 0-100 km/h de un vehículo está determinada principalmente por la potencia, más que por el torque. La razón de esta discusión es que los vehículos alemanes generalmente utilizan turboalimentación y otros métodos para mejorar la respuesta de torque a bajas revoluciones, pero su potencia no es tan alta (y ha disminuido rápidamente en los últimos años), mientras que muchos motores de gran desplazamiento de aspiración natural tienen mayor potencia. Muchas otras marcas también están adoptando los métodos alemanes. Sin embargo, el ingeniero cree que la potencia es lo que realmente determina el rendimiento del vehículo, especialmente en la aceleración de 0-100 km/h.
Este tema parece simple, pero debido a la estrategia de cambio de marchas de la transmisión del vehículo y al hecho de que el motor necesita considerar la combinación de potencia máxima, torque máximo y la curva de torque para obtener el resultado, en realidad es una cuestión difícil de responder.
Basado en nuestra experiencia de desarrollo real, doy dos conclusiones simples y directas:
- Aceleración de 0-40 km/h: prioridad al torque.
- Aceleración de 40-100 km/h: prioridad a la potencia.
- Aceleración de 0-100 km/h: prioridad a la potencia.
El torque no solo depende del torque máximo, sino también de la curva de torque con la velocidad del motor. La combinación del torque, el pico de torque y la amplitud de la plataforma de la curva de torque puede vincular la potencia y el torque con el rendimiento del vehículo.
La obsesión del sistema alemán con el torque bajo proviene de las condiciones nacionales de Alemania. Mi antigua empresa tenía un motor que originalmente estaba destinado para el mercado europeo, y mis colegas europeos me compartieron algunas de las necesidades del mercado europeo en ese momento. Entre ellas, una que me dejó una profunda impresión fue que alrededor del 10% del mercado europeo provenía de vehículos de empresa. Los conductores de estos vehículos se preocupaban mucho por la respuesta de aceleración al pisar el pedal, lo que está directamente relacionado con el torque a baja velocidad. Por eso, pedían continuamente mejorar la velocidad mínima de torque máximo y la respuesta de torque.
En términos de comparación de rendimiento de potencia, quiero abordar tres puntos:
- ¿Debe priorizarse la potencia o el torque en el rendimiento de potencia?
- ¿Qué afecta la respuesta de torque bajo?
- ¿Es el torque solo mirar el torque máximo?
Para abordar el problema directamente, comencemos con el tercer punto: ajuste de la curva de torque.
Al poner los datos de torque de estos cuatro motores junto con el Honda 1.5T, podemos verlo más claramente:
Interpreta lo que representa esta tabla:
- El naranja-amarillo es el Chery 1.6T. En términos de par motor, la ventaja de desplazamiento le dio algunas ventajas en par máximo, pero este apareció tarde, y la plataforma de par máximo fue entre 2000-4000 rpm. La ventaja de desplazamiento proporciona ventaja en el par total, pero también trae el problema del aumento del par turboalimentado, y el extremo de admisión no está muy optimizado. En general, el rendimiento es mediocre. (Los datos de Chery provienen del gráfico PPT del Chery 1.6T. El gráfico original muestra que el par máximo de 290Nm@2000rpm desciende ligeramente a 285Nm@4000rpm. Esto es similar a los datos de par de Great Wall que aumentan ligeramente a 285Nm a 1750rpm, y la plataforma de par general está alrededor de 280-283Nm.)
- El rojo es el dato del Mercedes-Benz 1.5T. Esta curva de par se ve muy extraña. Principalmente, no encontré otros diagramas de potencia y par del M264. Este gráfico corresponde a la información en sus datos oficiales de que el par máximo solo aparece entre 3000 y 4000 rpm, y esta información es correcta. Al igual que Chery, aunque se obtuvieron 280Nm de par de un 1.5T, apareció demasiado tarde y duró muy poco.
- El Great Wall 1.5T es otro extremo. El par aumenta rápidamente con el incremento de velocidad a bajas revoluciones, pero disminuye antes de las 3000 rpm. Este rendimiento en el vehículo significa que la sensación al arrancar es buena, pero ocurrirán cambios de marcha frecuentes durante la conducción competitiva a velocidades medias y altas. Sin una plataforma de par estable, implica mayores requisitos de ajuste de la transmisión. Esto está relacionado con la elección de turbocompresores y la dirección de ajuste del vehículo de Great Wall. Parece que los motores de gasolina han sido ajustados para tener el comportamiento de los motores diésel.
La razón para agregar la versión de alta potencia del Honda 1.5T con menor potencia y par que el nuevo 1.5T de GM es que el concepto de ajuste del motor del nuevo 1.5T de GM es bastante diferente al de la versión de alta potencia del Honda 1.5T. El nuevo 1.5T de GM alcanza el 95% del par a 1500 rpm, cercano al par máximo de la versión de alta potencia del Honda 1.5T. En contraste, la plataforma de par máximo ultraancha corresponde a la potencia abundante y sostenida del vehículo en carreras a velocidades medias y altas, evitando cambios de marcha bruscos e interrupciones de potencia durante la aceleración clave.
Más importante aún, el 1.5T de alta potencia de GM se desarrolla con un sistema de 48V. Actualmente, SAIC GM no ha anunciado oficialmente los datos del motor, pero al referirse al nivel de motores BSG similares, se espera que el par máximo alcance alrededor de 50Nm, como la compensación de par a baja velocidad del motor, interviniendo rápidamente.
La versión 260 Turbo de Honda ha sido bien recibida en Norteamérica desde su lanzamiento. Actualmente, General Motors y Honda tienen un muy buen modelo de cooperación técnica en desarrollo de motores y ajuste de potencia automotriz. En septiembre de 2020, las dos compañías firmaron un acuerdo de cooperación estratégica no vinculante para desarrollar conjuntamente vehículos de gasolina y totalmente eléctricos.
En los últimos años, GM ha promovido vigorosamente 9AT/10AT en torque medio y alto, y CVT y algunos 6AT en torque medio y pequeño, lo que significa combinar el ajuste de potencia suave japonés con el ajuste de alto rendimiento estadounidense. El rendimiento del 9AT de SAIC GM es la mejor prueba. Los sistemas de I+D de última generación de GM adoptan una calidad de conducción ARM más integral. Apunta a combinar la salida de potencia del motor con el ajuste de la transmisión y desarrollar conjuntamente la calidad de conducción general del vehículo. No es un simple problema de eliminar un punto máximo, sino que presta más atención a la calidad real de conducción.
A continuación, volvamos al primer punto, ¿es la potencia o el par una prioridad para el rendimiento del vehículo?
Directamente planteo la conclusión: El rendimiento de potencia de todo el vehículo es el resultado de la salida combinada del motor y la transmisión. En general, el rendimiento de 0-40 kph depende más del par, el rendimiento de 40-100 kph depende más de la potencia, y naturalmente la influencia de la potencia es mayor a velocidades más altas.
Luego viene el segundo punto: ¿Qué afecta el rendimiento del par a baja velocidad?
Para lograr una salida de potencia y par más fuerte, se requiere un mayor volumen de admisión turboalimentado. Después de que la velocidad del motor aumenta, el tiempo de admisión por cilindro disminuye rápidamente. Para mantener una salida de potencia y par estable, se requiere una admisión más fuerte. Por lo tanto, debes entender este principio: la potencia real del motor no está determinada por el inyector, sino por el sistema de admisión, incluido el turbocompresor. Si este problema solo se considera desde el diseño del turbocompresor, o bien eliges un turbocompresor más grande, pero la respuesta a baja velocidad será más lenta, o eliges un turbocompresor más pequeño, pero el problema de insuficiente impulso y fuga prematura de par se encontrará después de que aumente la velocidad. Es aún más difícil obtener una plataforma de par máximo. O bien el par máximo se establece directamente bajo, pero puedes ver que si la plataforma de par se define según el estándar de 1750-5500 rpm del 1.5T de GM, no se puede ver el par máximo de estos motores de alto par.
Resumen
- El sistema de admisión con intercooler refrigerado por agua generalmente aparece en series alemanas de bajo par. Al reducir la temperatura del aire de admisión, logra una mayor densidad de aire. Bajo el mismo efecto del ventilador del turbocompresor, el aire fresco puede ser comprimido más rápido y en mayores cantidades. *La refrigeración por agua no solo puede aumentar la potencia máxima, sino también reducir en gran medida el volumen requerido del sistema de admisión y mejorar la respuesta del turbocompresor en más del 17%.
- El sistema de combustión de alta eficiencia de 35Mpa es un arma mágica. *Hablamos de esto en el segundo punto. En pocas palabras, este sistema y la lógica de control basada en algoritmos avanzados de inyección pueden permitir que el control de combustión evite muchas limitaciones de emisiones y seguridad y logre una respuesta de control de combustión más rápida.
- El Dual Fast cam phaser es un producto desarrollado conjuntamente por General Motors y proveedores a través de cooperación estratégica. Es el primero en el mundo en lograr una duplicación de la velocidad de cambio de fase de apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. *El motor puede alcanzar el estado objetivo más rápido.
- Un sistema de escape de baja presión y alta respuesta con capacidad de respuesta optimizada, y este sistema de escape contiene un GPF altamente integrado. Cuando las regulaciones y el rendimiento del vehículo requieren GPF, este arreglo permite que el GPF alcance la temperatura adecuada y funcione normalmente lo antes posible incluso bajo condiciones de baja carga, combinando el sistema de 35Mpa y el control de combustión inteligente. Un buen escape original brinda la máxima reducción de riesgos al cliente.
