El nuevo L200 Motor MIVEC diésel de bajo impacto

Mitsubishi Motors Corporation considera que es su obligación empresarial ofrecer una gama de vehículos con el menor impacto posible en el medio ambiente, sea cual sea el segmento del vehículo, desde los automóviles urbanos a los pickups…

 

…Esa es la motivación del desarrollo pionero de vehículos eléctricos (EV) y eléctricos híbridos enchufables (PHEV).

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…Esa es la razón de los importantes esfuerzos realizados en áreas como la aerodinámica y la reducción de peso.

…Esa es la razón del desarrollo de una familia completamente nueva de motores MIVEC Diesel, de los cuales el nuevo L200 es el último receptor, con una versión “4N15” de 2.4 litros.

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Dado a conocer por primera vez el 20 de junio de 2006, presentado luego junto con el Concept-cX en septiembre de 2007 (1.8 litros) y confirmado finalmente con el Concept-ZT en octubre de 2007 (2.2 litros), el “4N1” – una iniciativa conjunta de Mitsubishi Motors Corporation y Mitsubishi Heavy Industries,

Ltd. (MHI) – es una familia ultraeficiente de motores Diesel completamente fabricados en aluminio, con doble árbol de levas en cabeza (DOHC), 16v, 4 cilindros e inyección directa common rail, que incorpora una de las relaciones de compresión más bajas del sector (15,5:1 para la versión de 2.4 litros del L200). Lanzado en 2010, ha estado disponible en Europa fundamentalmente con el ASX, el Outlander y ahora con el nuevo L200.

MIVEC + Diesel = novedad mundial

Esta familia la “4N1”, la más reciente de una larga tradición en motores diésel de Mitsubishi, que se remonta a 1931 – con el “450AD”, el primer motor diésel desarrollado en Japón para su uso en vehículos de motor – .

 

… recibe una serie de exclusivas tecnologías innovadoras de motor, entre las que están las derivadas del desarrollo de la familia de motores de gasolina. Esta familia, la “4N1”,es la más reciente de una larga tradición en motores de gasolina “4B1” de MMC, con características de combustión altamente eficientes obtenidas de la aplicación de las tecnologías de análisis propias de MMC y MHI.

De todo ello, el aspecto tecnológico más destacado es el sistema de accionamiento de válvulas variables MIVEC exclusivo de Mitsubishi, en este caso novedad mundial para motores diésel de pickup – que permite a los ingenieros de MMC alcanzar su objetivo de reducir al máximo la relación de compresión y conseguir todas las ventajas que ello supone para el cliente.

Un enfoque renovado

El motor MIVEC Diesel “4N1” de Mitsubishi de funcionamiento extremadamente suave posee una importancia estratégica en Europa, y es el resultado de un enfoque innovador a los desafíos que supone aplicar motores diésel a vehículos ligeros de alta eficiencia, ya sean automóviles de pasajeros, vehículos todoterreno o pickups.Sin las limitaciones que suponen convenciones y tradiciones de ingeniería internas, los ingenieros de Mitsubishi transformaron ese desafío en una oportunidad, partiendo de una hoja en blanco y una serie de preguntas sencillas:

! ¿Es posible aplicar nuestros conocimientos en motores de gasolina a trenes de potencia diésel? ! Conociendo los aspectos específicos de esta tecnología, ¿por qué no podemos hacer un motor

diésel lo más próximo posible a un motor de gasolina? ! ¿Pueden las tecnologías de los motores de gasolina contribuir a una nueva generación de

motores Diesel?

La respuesta a esas preguntas fue el “4N1”: una familia de motores compactos y ligeros que proporcionan altas prestaciones, excelente consumo de combustible y niveles de emisión, y con un elevado potencial de desarrollo incorporado.

Durante este desarrollo innovador, MHI proporcionó – entre otras cosas- la experiencia de ingeniería obtenida en sus motores diésel industriales y marinos, así como en tecnologías de turbinas de gas. En particular, se asignaron tareas específicas a los ingenieros de MHI en las áreas de flujo de fundición (bloque de aluminio), refrigeración (culata) y combustión, utilizando “Dinámica de fluidos computacional” (CFD). Como recordatorio, CFD es una herramienta sofisticada utilizada en el sector aeronáutico cuya función es modelizar y analizar las diversas configuraciones dinámicas (en este caso, termodinámicas) antes de realizar pruebas físicas. Como tal, el CFD permite reducir las inversiones y los tiempos de desarrollo, aumentando la precisión del diseño.

Más ligero, menor relación de compresión

Volviendo a los aspectos básicos, el motor diésel utiliza la compresión térmica para iniciar la ignición y quemar el combustible que se inyecta en la cámara de combustión durante la etapa final de la compresión.

Debido a la elevada relación de compresión que requiere este proceso, los motores diésel cuentan con la mayor eficiencia térmica de todos los motores de combustión interna ordinarios, lo que a su vez permite obtener un consumo de combustible reducido y -lógicamente- menores emisiones de CO2 .

No obstante, con el fin de resistir las presiones de operación causadas por la alta relación de compresión y el elevado par motor generado por el cigüeñal, los motores diésel necesitan piezas más resistentes y pesadas, lo que los hace más pesados que sus equivalentes de gasolina.

Por ello, la solución lógica para reducir las fuerzas en juego en el bloque motor es reducir la relación de compresión.

A su vez, ello permitiría una estructura más ligera, no muy distinta de la de un motor de gasolina, algo que los ingenieros de Mitsubishi decidieron aplicar a la familia de motores “4N1” – su relación de compresión extremadamente reducida (para un motor diésel) se convirtió en la característica que lo define:

! 14,9:1 para el “4N13” de 1.8 litros ! 14,9:1 para el “4N14” de 2.2 litros ! 15,5:1 para el “4N15” de 2.4 litros, instalado en el nuevo L200

Estas bajas relaciones de compresión era uno de los principales objetivos de los ingenieros de MMC y MHI para obtener un nivel excelente de ruido, vibraciones y calor (NVH), bajas emisiones, alta fiabilidad, funcionamiento suave y conducción divertida, en todas las cilindradas – 1.8, 2.2 o 2.4 litros.

Así, compartiendo la arquitectura básica de los motores de gasolina “4B1” de MMC – pero como resultado de un desarrollo diésel específico – los motores “4N1” incorporan, entre otras características:

! Bloque ligero. Fabricado en fundición de aluminio, esta unidad es aproximadamente 10 kg más ligera que un bloque de fundición. Puede resistir las altas temperaturas y las fuerzas extremas que se producen en el interior de un motor diésel, gracias a un proceso de diseño sofisticado que utiliza CAD/CAM – realizado junto con MHI, que también ha aportado mejoras significativas en la calidad de la fundición.

! Además, los ingenieros de MMC han seleccionado el mismo concepto de tapa de válvulas de plástico que el “4B1”. Desarrollado por Mahle para MMC, este componente es un 50% más ligero (1 kg frente a aproximadamente 2 kg para una pieza análoga de aluminio) con ventajas adicionales en términos de eficiencia de combustible y conducción estable.

La analogía de la arquitectura de este motor con la familia de motores de gasolina de MMC ofrecía ventajas evidentes, como tiempo de desarrollo (aproximadamente 3 años entre los primeros estudios de ingeniería y el inicio de la producción del primer 4N13 en abril de 2010).

Asimismo, la selección de una configuración “cuadrada” con las cotas de diámetro y carrera prácticamente iguales permitían bielas y pistones más cortos y ligeros y, por consiguiente, menos peso.

Evidentemente, todos esos ahorros de peso mejoran el consumo de combustible y por tanto las emisiones, pero también las características dinámicas, ya que hay menos peso en la parte frontal del vehículo.

Accionamiento de válvulas “MIVEC”

Una estructura más ligera permite una baja relación de compresión, pero ¿cómo mantener suficiente compresión para iniciar la ignición? Presentamos MIVEC…

La existencia del 4N1 debe mucho a la implantación de otra tecnología exclusiva de Mitsubishi Motors: MIVEC (o “Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system” (sistema de control electrónico de accionamiento de válvulas innovador de Mitsubishi).

En el momento del desarrollo original del “4N1”, el sistema MIVEC era el mejor posible para obtener el desarrollo de baja relación de compresión de los ingenieros de MMC y MHI, que a su vez desencadenaba el alto rendimiento estructural y dinámico de este motor.

Aplicado al tren de válvulas de admisión de esta solución diésel, MIVEC varía la sincronización, la alzada y la duración de la apertura de las válvulas utilizando dos perfiles de leva diferentes. La idea es controlar de modo más eficaz el flujo de admisión, con el fin de obtener mayor eficiencia y potencia, en una gama más amplia de revoluciones del motor, incluso con relaciones de compresión tan bajas y, por supuesto, menor consumo de combustible y emisiones.

Esto es especialmente cierto en motores diésel en los que el rango de revoluciones del motor es más limitado que en los motores de gasolina. En los motores diésel de baja compresión esto es más acusado no sólo para compensar la pérdida de compresión frente a los motores tradicionales, sino también para resolver las cuestiones de:

! arranque en frío,

! estabilidad de la combustión y cuestiones de NVH asociadas. En esos dos aspectos, el sistema MIVEC es efectivo para:

! adelantar el momento de cierre de las válvulas de admisión para mejorar la relación de compresión efectiva,

! reducir la elevación de la válvula de admisión para una difusión más enérgica – lo que mejora el mezclado y la combustión, el control de la temperatura en el cilindro al final de la compresión – para evitar la creación de niveles excesivos de NOx y también para controlar los flujos dentro del cilindro.

Asimismo…

A fecha de hoy, el sistema MIVEC es el factor clave del rendimiento de los motores 4N1, pero no es el único.

 

Una cosa es controlar el flujo de admisión de aire, pero obtener las características de combustión óptimas es otra, y a continuación entran en juego varios factores adicionales sucesivos:

! La geometría de la cámara de combustión es uno de ellos, con el de obtener una combustión de la mezcla lo más completa posible, evitando al mismo tiempo temperaturas excesivas y por tanto la creación de niveles excesivos de NOx. En el caso del 4N1, los ingenieros de Mitsubishi decidieron seleccionar una geometría tipo «shallow dish» en la parte superior del pistón, y una entrada de cavidad estrecha para mejorar el consumo de combustible y la robustez de la combustión.

! El proceso de inyección es otro elemento fundamental. Para su nuevo motor diésel, seleccionaron:

– un sistema common rail de muy alta presión de 2.000 bar – en lugar del más común de 1.800 bar – para crear una mejor atomización del combustible diésel inyectado, – una secuencia de inyección optimizada de tres etapas:

 

! MIVEC y las posibilidades que ofrece en términos de control del flujo de aire: a plena carga, el excelente nivel de potencia y par se obtiene gracias a 1) el elevado alzado de las válvulas de admisión y 2) la aplicación de un amplio ángulo de operación de las válvulas en el modo de alta velocidad.

! Un conducto de admisión cuyo diseño es similar al de un motor de gasolina.

! Un turbocompresor de geometría variable (VG) que incorpora álabes de compresor más espaciados, que permiten una mayor eficiencia de carga en conducción a alta velocidad.

Como recordatorio, la tecnología VG tiene como objetivo buscar la relación de proporción óptima a baja y alta velocidad, lo que a su vez garantiza la eficiencia, especialmente en las áreas de emisiones de escape y respuesta (ausencia de retardo, etc,…).

En el caso del “4N1” de MMC, la adopción de un diseño de 8 álabes del rotor del compresor de aluminio (frente a 12 en los convencionales) tenía por objetivo ampliar el rango de operación del compresor y, por consiguiente, la eficiencia de la compresión.

Asimismo, la unidad TF035 compacta de Mitsubishi Heavy Industries adoptada para el 4N1 permite una mejora del 10% del momento de inercia de rotación en el compresor y la turbina.

En paralelo, la capacidad variable de la turbina se traduce en una elevada respuesta a la aceleración y una presión de compresión óptima en toda la gama de velocidades del motor, para proporcionar altas prestaciones y bajas emisiones.

Suave y silencioso

Si el 4N15 es ligero y puede funcionar eficientemente con su baja relación de compresión de 15,5:1, ¿cómo puede mantenerse silencioso y sin vibraciones, alejándose de la tradicional sonoridad de los motores diésel?

En resumen, se han explorado 4 áreas diferentes: ! Relación de compresión: con un valor de 15,5:1, es evidente que un nivel de cargas tan bajo

contribuye sustancialmente al rendimiento NVH general, especialmente en el aspecto de las vibraciones.

! Combustión: gracias a la combinación de MIVEC + cámaras de combustión poco profundas + inyección multietapa + presión de common rail de 2.000 bar + control electrónico sofisticado, la sonoridad diésel – que es básicamente ruido de combustión – se ha reducido sustancialmente. A título ilustrativo, la primera inyección piloto de combustible diésel en la cámara inicia la combustión, pero reduce también la explosividad que pueden causar las vibraciones.

! Cigüeñal desfasado: con el fin de minimizar las fuerzas laterales creadas por los pistones, el cigüeñal está desfasado 15 mm para reducir las emisiones de CO2, generando al mismo tiempo una mayor potencia y reduciendo el NVH para obtener un funcionamiento más suave a todos los regímenes. Gracias a la simulación de movimiento asistida por ordenador, se optimizó la estructura del desfase de los cilindros, lo que permitió obtener una reducción del 20% de las pérdidas por fricción de los pistones, y las consiguientes mejoras en el consumo de combustible.

! Accionamiento por cadena silencioso: con el fin de reducir el ruido del sistema de accionamiento de válvulas.

! Eje de equilibrado: Siguiendo los pasos de las tecnologías introducidas por primera vez (como novedad mundial) en 1975 en los motores Astron equipados con el sistema “Silent Shaft”, cuyo propósito era reducir las vibraciones en los motores de gran cilindrada (especialmente de 4 cilindros), MMC amplía ahora su cualificación en este área introduciendo un eje de equilibrado en el motor diésel 4N15 de mayor cilindrada de 2.4 litros para el L200.

“Automatic Stop & Go” (AS&G):

El motor 4N15 de Mitsubishi cumplirá todavía mejor su misión medioambiental gracias a la adopción (en función del modelo y el mercado) del sistema AS&G de MMC, una característica poco frecuente en el segmento de pickups de una tonelada.

En resumen: ! El sistema “Auto Stop & Go” detiene y arranca automáticamente el motor cuando se para el

vehículo, sin necesidad de accionar la llave de contacto (por ejemplo, en un semáforo).

! En términos prácticos, cuando se detiene el vehículo, se suelta el pedal del embrague y se sitúa la palanca en punto muerto, se enciende un indicador en el bloque de instrumentos, y el motor se detiene automáticamente. Para arrancarlo de nuevo, basta con pulsar el embrague para introducir una marcha.

 

 

! El sistema Auto Stop & Go se activa automáticamente cuando la llave de contacto se sitúa en posición “ON”. El sistema es capaz de parar y volver a arrancar el vehículo aproximadamente 3 minutos después de la puesta en marcha inicial del motor.

! Un interruptor en el panel de instrumentos permite al conductor desactivar el sistema si así lo desea, como en caso de atasco con paradas y arranques constantes.

! El principio del sistema “Auto Stop & Go” es que se adapta a las necesidades del vehículo (por ejemplo, suministro de energía). Ello significa que, en ciertas circunstancias, el motor no se detendrá (temperatura exterior inferior a 3° C, velocidad del vehículo ≥ 5 km/h no alcanzada después de la puesta en macha automática, etc,…) y en otras circunstancias el motor volverá a arrancar por sí solo.

! El sistema “Auto Stop & Go” está activado de modo predefinido, lo que significa que cada vez que la llave de contacto se sitúa en la posición “LOCK” después de conducir y se desconecta el sistema, se reactivará automáticamente la siguiente vez que se sitúe en la posición “START”.

! La suavidad inherente de los motores diésel 4N15 MIVEC de baja compresión contribuye a un funcionamiento igualmente suave en el ciclo parada/arranque/parada, sin retrasos entre la parada y el arranque.

! Para facilitar el arranque en frío, el nuevo L200 se beneficia también de una batería de mayor capacidad.

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