Vehículos analógicos y vehículos digitales

El primer motor V8 de Ford (1932) tenía 3522 centímetros cúbicos y su potencia era de 65 CV. Mi Toyota Yaris (1999) tiene 987 cc y una potencia de  70 CV.  Es decir el Yaris tiene un motor 2.57 veces más chico y una potencia 7,7% mayor. 

El rendimiento de un Yaris 1999, 0 km, es -según manual- alrededor de 14.5 km/l en ciudad y 19.6 en carretera. Muchísimo mejor que el del Ford que difícilmente alcanzaba los 5 km/l. para que se hagan una idea de como ha mejorado la eficiencia de los motores. 

Esta diferencia se produjo especialmente a partir de la introducción de la computación en los autos, que antes eran analógicos y hoy son digitales. Todo empezó en 1968 cuando el Volkswagen Type 3 fue el primero en incorporar un rudimentario computador para el sistema de inyección electrónica.

Un comentario de Francisco me llevó a averiguar mejor como funciona la inyección electrónoca y su diferencia con los antiguos carburadores. La cosa es más o menos así:

Lo que explota es el oxigeno, mucho más que el combustible
Primero que nada algo general de como funciona la combustión. Se cree que la mezcla que entra a los cilindros explota a causa del combustible pero no es así, lo que produce la explosión es la mezcla de combustible y oxígeno del aire en una proporción exacta, que para los motores  es de 14.7 partes de oxigeno por 1 parte de combustible.

Es decir la potencia de la explosión se debe principalmente al oxigeno que está en el aire y es aspirado por el motor. El combustible sirve para que la mezcla se encienda porque el oxigeno solo no enciende. La forma más fácil de entenderlo es ver las antorchas de oxiacetileno para soldar, que mezclan mucho oxigeno con un poquito de acetileno para encenderlo. En los motores es lo mismo pero en lugar de acetileno se usa gasolina.

Eso explica por que para acelerar el motor se ingresa más aire y no más combustible, el aire es el componente principal de la mezcla estequométrica (o proporción óptima) así es que resulta mucho más sencillo regularlo. Enriquecer la mezcla con más combustible resulta en que el exceso es botado crudo por el escape.

Como funcionaba el carburador
El carburador iba montado sobre el múltiple de escape y allí era donde se hacía la mezcla, era totalmente mecánico así es que había que ajustarlo manualmente si la temperatura era muy baja (o ahogarlo con una válvula de estrangulación).

Para funcionar usaba el efecto Venturi que se obtiene al reducir el diámetro de un tubo (los chicleres). Esto provocaba una succión del combustible que se obtenía de una pequeña tineta con un sistema de flotador igual que en los WC. 

El aire era -y todavía es en la mayoría de los motores- aspirado por la succión que hacen los cilindros que bajan y también se usaba para llevar una mezcla no muy óptima hacia el múltiple de admisión y al interior de los cilindros. Una explicación más completa se puede ver aquí,

Como funciona la inyección electrónica
Los carburadores pasaro a la historia, es ridículo seguir fabricándolos porque las ventajas de la inyección son enormes. 

En principio un inyector hace lo mismo que un carburador pero es mucho más sofisticado, porque está conectado a un computador (ECU) que recibe información desde sensores que le informan el volumen de aire disponible, su presión, la tempreratura, la posición de cada pistón y sobre todo el esfuerzo que está haciendo el motor.

En base a todos esos datos manda señales a sus actuadores, en este caso los inyectores para que se abran y cierren cambiando la mezcla de aire y combustible en milisegundos, según la información que reciba de los sensores.

Además de eso el combustible viene a presión muy alta para pulverizarlo lo más finamente posible en gotitas microscópicas, de ese modo se le saca mucha más potencia a la explosión que en los motores antiguos.

Distintas clases de inyección
Al principio simplemente colocaron un inyector arriba del múltiple de admisión, donde iban los carburadores antiguos, pero la carrera por mejorar la eficiencia ya había comenzado y empezaron los cambios.

Cuando había un solo inyector para todos los cilindros se llamaba inyección monopunto, pero muy pronto se les ocurrió colocar un inyector individual a cada cilindro, con eso acercaban la mezcla a los pistones y mejoraba mucho la eficiencia. 

Esa fue la inyección multipunto indirecta, que es la que tiene mi Toyota. En este caso los inyectores son alimentados por un riel común (o colector) y llevan cada uno la mezcla a sus cilindros. 

Los vehículos más nuevos han ido un paso más adelante al colocar los inyectores directamente dentro de la cámara del cilindro, al lado de la bujía. Esto mejora todavía más la eficiencia, la potencia, economía y baja las emisiones contaminantes. Se llama inyección multipunto directa.

¿Se puede convertir un auto carbutado a inyección electrónica? Claro que se puede, lo sencillo es instalando una intección monopunto donde iba el carburados. También se puede instalar una multipunto, pero es un poquito más complicado.

El encendido electrónico
Pero al colocar computadoras en el auto permitió mejorar otros sistemas, especialmente en el control de las chispas de las bujías que ya no es con el antiguo sistema mecánico de distribuidor. platino, condenso y una bobina. Eso ya no existe.

Hoy el computador es el que manda señales a un módulo electrónico que genera los pulsos y en lugar de una sola bobina con los famosos cables de bujía de alta tensión, hoy cada cilindro tiene su propia bobina encima de la flauta de la bujía, que produce localmente la alta tensión necesaria. Eso solucionó un montón de problemas de pérdidas eléctricas, que tenían los autos analógicos.

El turbo
El turbo fue otro paso para sacar más potencia con la misma cilindrada y combustible. Los turbos consumen un poco más, pero dejan al motor más potente. Un turbo toma parte de los gases de escape y lo usa para mover una turbina, con esa turbina se comprime el aire que ingresa al motor.

Así el aire no solo es el aspirado por el vacío que producen los pistones al bajar, sino que también entra empujado por el turbo. esto permite conseguir bastante más potencia con la misma cilindrada, aunque tiene sus inconvenientes.

Es un aparato complejo y delicado, construído con tolerancias finísimas y es bastante fácil que se rompa, también el motor debe ser más reforzado que uno aspirado ya que las cámaras soportan mayor compresión. Si se busca un motor robusto y económico, el turbo no es para eso, excepto los diesel que casi todos son turbo.

Honda desarrolló un motor turbo de tres cilindros y 1000 cc para sus vehículos híbridos ¡y entrega una potencia de 129 CV! Funciona en el Honda Civic 1.9 3L VTEC.una maravilla tecnológica pero yo no lo compraría ni muerto. Una característica de ese motor es que funciona con una mezcla extraordinaiamente pobre, casi puro aire.

¿Se le puede poner turbo a un auto aspirado? Si, algunos lo hacen para correr el auto, pero el motor se romperá mucho más rápido porque no está hecho para soportar la sobrepresión

Poner más válvulas y manipular su apertura
La mezcla combustible entra cuando se abre la válvula de admisión, luego se cierra y el pistón comprime la mezcla, se enciende la bujía y la chispa explota llevando el pistón para abajo, en ese punto se abre la válvula de escape que deja salir los gases residuales

El momento preciso para que se abran y cierren las válvulas parece claro, pero no es tan así. Desde que existen los motores se puede desplazar angularmente el árbol de levas para que se abran y se cierren un poco antes o después del óptimo teórico, esto se llama "avanzar" o "retrasar" el motor y en los antiguos se hacía a mano para ciertas condiciones de manejo.

Gracias a la electrónica este ajuste se puede hacer instantáneamente mientras el motor funciona y de acuerdo a lo que determine el programa de la computadora, esto también da una gran mejora al rendimiento. 

Este cambio instantáneo a la apertura y cierre de válvulas se llama Vtec en Honda, VVTI en Toyota, etc. Diferentes marcas tienen su propio sistema pero todas funcionan con el mismo principio.

Otra gran mejora es -como dije- poner más válvulas por cada cilindro, así mi Yaris por ejemplo tiene dos válvulas de admisión y dos de escape en lugar de solo una, mejorando mucho la alimentación y la extracción de los gases de combustión, que es la respiración del motor. 

Hoy es casi un estándar que los motores de 4 cilindros lleven 16 válvulas. Las mejoras en las válvulas agregan casi tanta potencia como un turbo sin los inconvenientes y fragilidad de los turbos.

Un último detalle sobre las válvulas es la distribución. Los árboles de leva se tienen que mover sincronizados con el giro del cigueñal y para conectar ambos sistemas se puede usar una cadena o una correa de fibras de goma y algún compuesto.

Aquí las preferencias se dividen: algunos prefieren las correas porque son más silencioas y suaves, mientras que las cadenas pueden ser ruidosas. 

Si se corta esta cadena o correa es muy posible que nos quedemos sin auto porque el motor "pilla las válvulas", es decir los pistones golpean, tuercen y rompen las válvulas dejando una ensalada de fierros retorcidos dentro de la cámara.

Las correas hay que cambiarlas mucho más seguido que las cadenas porque además no avisan cuando se van a cortar. Las cadenas si avisan haciendo un ruido espantoso antes de cortarse, que nos permite apagar el motor y cambiarla antes que la cosa pase a mayores.

Número de cilindros
Actualmente los motores de 4 cilindros en línea y 16 válvulas con inyección multipunto son los reyes, ese es prácticamente el estandar porque los 4 cilindros son equilibrados por naturaleza al funcionar en pares (1-3 y 4-2), los motores antiguos, que obtenían más potencia aumentando el desplazamiento fueron la forma típica de obtener motores para "muscle cars".

Seguramente recordarán motores como el V8 Cobra del Mustang o el V8 Chevy del Camaro, de 7.000 cc. Hoy muchos autos de 4 cilindros de 2.000 cc los dejarían en verguenza en muchos aspectos. Si ven los piques en Chile, hay un Toyota Yaris con el mismo motor que el mío de 1.000 cc que deja atrás a los itros con motores mucho más grandes. Claro que ese motor del Yaris está más arreglado que mesa de cumpleaños.

Los motores de tres cilindros y los V6 tienen un problema de desequilibrio por su propia naturaleza, el primero por el número impar de pistones, donde siempre uno choca contra el movimiento de los otros dos y el V6 porque básicamente son dos motores de 3 cilindros juntados. 

Es conocido el fracaso del Mustang V6 de los ochentas que cabeceaba y tiritaba como si tuviese parkinson. En los motores modernos mucho de ese cabeceo se reduce agregando contrapesos en el cigueñal, pero nunca llega a eliminarse la vibración

Raya para la suma
Si me tuviese que comprar un auto hoy, elegiría sin duda uno digital con inyección multipunto de riel común, encendido electrónico y control digital de las válvulas, sin turbo, 4 en línea, con 16 válvulas, motor cadenero, acelerador mecánico con piola y fabricado a principios de los 2000 o en 1999 como mucho, porque esa fue la edad de oro de los motores. 

Creo que desde entonces han habido muchos experimentos pero muy pocas mejoras reales. Durante los últimos 10 años los facricantes han perdido el tiempo en bajar las emisiones de HC y CO, obligados por las normas impuestas por los políticos. Si lo que uno busca es robustez, fiabilidad y economía en los años 2000 es donde hay que buscar.

¿Existirá un auto tan perfecto como ese? Claro, hay varios. Mi toyota Vitz 1999 cumple con todo eso pero no es el único, hay muchos Subaru (la de los motores raros), Nissan, o incluso autos grandes como el Mustang 2005 entran en esa categoría de robustos y confiables, todos serán clásicos con el tiempo.

En cualquier caso Toyota es todavía el líder mundial en robustez y fiabilidad, basta con mirar un motor de Hilux por dentro o cualquier otro de esa marca. Por algo congelaron la producción de vehículos eléctricos pese a la enorme cantidad de Prius que vendieron, saben de autos y se dieron cuenta que eso será un fiasco a largo plazo,

Por último hay una regla bien sencilla y es casi infalible: basta con ver cuantos años dura un mismo modelo en producción: si pasa los 5 años es un modelo bueno y si se fabrica por más de 10 años es extraordinario, valor seguro. Solo piensen en el VW Escarabajo, Golf, Honda Civic,  Hilux, Yaris o la Citroneta, son autos con los que uno va a la segura, incluso después que han sido tecnológicamente sobrepasados.