Inyección de agua en el colector del módulo de aspiración: Fundamentos técnicos en motores turbo

Ayer os hablé del BMW M4 GTS, una impresionante máquina de nueva creación firmada por BMW M GmbH. Además de la imponente potencia que podemos encontrar bajo su capó, su ajustado peso y su increíble estética, el BMW M4 GTS es un “saco” lleno de tecnología y novedades mecánicas.

Bueno, quizá lo de novedades mecánicas no sea del todo cierto ya que la Inyección de agua se lleva usando desde hace ya décadas en otras máquinas, sin embargo, es la primera vez que lo vemos en un coche de calle.

Además de la iluminación OLED, la inyección de agua en forma de fina niebla es una novedad en la marca y vamos a ver cómo funciona.

El motor con tecnología M TwinPower Turbo del BMW M4 GTS puede girar a máximo 7.600 rpm. Tratándose de un motor turbo, sube de revoluciones de manera inusualmente espontánea, y la entrega de la potencia es lineal dentro de un amplio margen de revoluciones.

El innovador sistema de inyección de agua logra que el motor turbo de seis cilindros en línea alcance un considerable nivel de potencia. Este sistema amplía los límites que dictan las condiciones térmicas del motor.

En comparación con el motor del BMW M4, el del BMW M4 GTS tiene una potencia un 16 % superior (348 kW/500 CV), que el propulsor entrega a 6.250 rpm. El par máximo es ahora más o menos un 10 por ciento superior, alcanzando 600 Nm, disponible a lo largo de un amplio margen de revoluciones (desde 4.000 hasta 5.500 rpm).

El BMW M4 GTS es el primer automóvil fabricado en serie y previsto para el tráfico vial normal, que cuenta con el innovador sistema de inyección de agua. Con esta solución, que marca un hito tecnológico, se optimizan la potencia y el consumo del motor turbo de seis cilindros en línea cuando está funcionando a plena carga.

Los ingenieros de BMW M aprovechan la cualidad física del agua de extraer energía del entorno al evaporarse. Al evaporarse el agua que se inyecta en calidad de fina neblina en el colector del módulo de aspiración, se provoca un enfriamiento del aire aspirado. Así disminuye la temperatura de compresión en la cámara de combustión, por lo que se reduce la tendencia a las autodetonaciones, lo que significa que el motor turbo puede funcionar con una presión de carga mayor y, además, con avance del encendido mayor.

La inyección de agua también optimiza considerablemente el grado de eficiencia del motor, pues tiene como consecuencia un aumento de la potencia y del par. A pesar de la mayor potencia, disminuye el esfuerzo térmico que deben soportar todos los componentes de relevancia para el rendimiento.

El efecto favorable de la inyección de agua puede aprovecharse de diversas maneras, dependiendo del motor y del vehículo. Ello significa que los ingenieros a cargo del desarrollo pueden elegir libremente si prefieren optimizar la potencia o el consumo de un motor. Si ya en la fase de desarrollo de un motor de altas prestaciones se considera la posibilidad de utilizar el sistema de inyección de agua, es posible optar por una unidad turbo de gran presión y disponer de un sistema de combustión de elevada relación de compresión. En estas condiciones, un motor turbo con unidad turbo que rinde al máximo a máximas revoluciones, puede experimentar un aumento de su potencia del orden de ocho por ciento. Además, se compensan pérdidas de potencia causadas por el aumento de las temperaturas del entorno (>20 °C) mediante el aumento de la cantidad de agua inyectada.

Pero, ¿qué hay de los fundamentos técnicos?

La posible potencia de un motor de combustión está físicamente limitada, entre otros, por la temperatura imperante en la cámara de combustión. Si se supera la temperatura admisible, se produce una combustión incontrolada (autodetonación) y, por lo tanto, se pierde potencia. En el peor de los casos, se destruye el motor. Este criterio debe tenerse en cuenta especialmente en el caso de motores con turbo, ya que el aire de aspiración se calienta hasta 160 °C en el compresor de la unidad turbo. Si bien es cierto que el intercooler provoca la disminución necesaria de la temperatura, este sistema de refrigeración del aire de sobrealimentación también tiene sus límites. Dependiendo de la configuración y de las dimensiones del sistema de refrigeración, así como de la aerodinámica del coche, es posible bajar la temperatura del aire de aspiración a menos de 70 °C antes que entre en el colector. Por otro lado, un aumento de la presión de sobrecarga provocaría la superación del límite de autodetonación, por lo que no sería un medio apropiado para aumentar la potencia.

La inyección de agua a modo de fina niebla en el colector, consigue bajar en aproximadamente 25 °C la temperatura del aire que entra en las cámaras de combustión. Gracias al aire de admisión de temperatura reducida es posible aumentar el avance de la chispa, lo que permite obtener un resultado muy cercano al óptimo. Así aumenta el grado de eficiencia del proceso de combustión, mientras que, al mismo tiempo, disminuye la temperatura máxima. Adicionalmente, el aire menos caliente es más denso, de manera que aumenta el contenido del oxígeno en las cámaras de combustión. Así se obtiene una presión media mayor en el transcurso del proceso de combustión, lo que redunda en un aprovechamiento óptimo de la potencia y del par. Finalmente, la refrigeración interna eficiente de la cámara de combustión reduce el esfuerzo térmico que deben soportar diversos componentes de gran relevancia. Así no solamente se cuida los pistones, las válvulas de escape y los catalizadores; también el turbocompresor debe soportar menos esfuerzos, ya que se aplican gases de escape a temperaturas menores.

Gracias a la inyección de agua se amplía el margen hasta llegar al límite de la autodetonación, lo que permite resolver un conflicto que suele surgir al diseñar motores de gran potencia. Concretamente, la potencia y el consumo dependen fundamentalmente de la relación de compresión.

¿Cómo funciona el sistema?

Tres válvulas de inyección montadas en el colector de aire, cada una de ellas a cargo de dos cilindros del motor de seis cilindros en línea. Esta solución garantiza una distribución homogénea, y permite obtener una geometría compacta de todo el sistema.

El depósito de agua de cinco litros, la bomba, los sensores y las válvulas, están instalados en el rebaje debajo del piso del maletero. El accionamiento de la bomba, de los sensores y de los actuadores está a cargo del sistema ampliado de control electrónico del motor. El agua llega a los inyectores con una presión de aproximadamente diez bares, la distribución de las cantidades depende de la carga, de las revoluciones del motor y de la temperatura. De esta manera se tiene la seguridad que el consumo de agua se mantenga en el límite de lo absolutamente necesario.

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 caja de cambios 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.

El agua es inyectada en el colector del módulo de admisión como una pulverización fina, enfriando 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 al picado. Esto significa que el motor turbo puede trabajar a una presión de carga superior y un punto de ignición anterior.

Las temperaturas de proceso más bajas también reducen la formación de sustancias peligrosas, y del óxido de nitrógeno (NOX) en particular. Consecuentemente, la inyección de agua mejora de manera espectacular la eficacia del motor.

 

¿Cuál es el consumo de agua?

Usando el coche en un circuito, es decir, exigiéndolo al máximo, debe rellenarse el depósito de agua cuando también es necesario repostar gasolina. En circunstancias de funcionamiento normal y dependiendo del estilo de conducción, los intervalos que deben transcurrir para rellenar el depósito de agua son mucho más largos. Incluso conduciendo a altas velocidades en autopistas, es suficiente rellenar el depósito de agua más o menos cada cinco depósitos de gasolina. Pensando en la utilidad práctica del sistema, se ha conseguido que no requiera de mantenimiento alguno.

Por razones de seguridad, el sistema de inyección de agua de BMW M incluye un sofisticado sistema de autodiagnóstico. Si el depósito de agua está vacío o si el sistema tiene un fallo, se activan determinadas funciones para proteger al motor. La presión del turbo se reduce y el momento del encendido se retrasa, de manera que el motor puede seguir funcionando perfectamente, aunque con potencia reducida. Pero también mientras el sistema funciona correctamente, se aplican diversas medidas que garantizan su buen funcionamiento. Después de apagar el motor, el agua contenido en las tuberías retorna al depósito, con el fin de evitar que se congelen partes del sistema, si las temperaturas exteriores son muy bajas. El depósito de agua como tal se encuentra protegido contra una posible congelación.