DOSSIER TECNOLOGÍA FSI

TECNOLOGÍA DE INYECCIÓN DIRECTA DE GASOLINA FSI

VOLKSWAGEN

SUMARIO

El Grupo Volkswagen ha sido el pionero en la utilización de sistemas de inyección directa de combustible, tecnología que incorporó en 1989. El primer motor diesel de inyección directa, el TDI, y sus siguientes generaciones -hasta llegar a la innovadora tecnología de inyector-bomba- han mostrado el potencial que ofrece este sistema de alimentación de combustible directamente a la cámara de combustión.

Las principales ventajas de la inyección directa -elevada potencia y bajo consumo- pueden ser utilizadas también en los motores de gasolina con similar eficacia. Una vez más, Volkswagen fue precursor en este campo, cuando a finales del año 2000 presentó el primer coche de la marca con un motor FSI: el Lupo con motor de inyección directa de gasolina de 1,4 litros de cilindrada y 105 CV de potencia.

Con un consumo medio de 4,9 litros cada 100 Km recorridos, el Lupo FSI se constituyó en el primer vehículo con mecánica de gasolina con un consumo inferior a los cinco litros. En comparación con un coche con motor de gasolina y sistema de inyección convencional de similar cilindrada y potencia, el Lupo FSI consigue una reducción de consumo de nada menos que el 30%.

A principios de este año, y con el lanzamiento de la nueva gama Golf, Volkswagen lanzaba a nuestro mercado el Golf 1.6 FSI de 110 CV, un motor que destaca por ofrecer una entrega de potencia muy armoniosa, y unos reducidos consumos, siempre en función de la forma de conducir y de las condiciones de marcha. Ahora Volkswagen lanza esta tecnología FSI en el Polo, con un motor de 1.4 y con 86 CV de potencia, y un poco más adelante la inyección directa de gasolina, concretada en diferentes motores, estará disponible con el próximo lanzamiento de la marca, el Touran, el primer monovolúmen compacto de Volkswagen.

Tecnología FSI para el Touran

El Touran se comercializará, además de las motorizaciones TDI, con un sofisticado e interesante motor de última generación, un 1.6 FSI de 115 CV. Ofrece su potencia máxima a 5.800 r.p.m., y tiene un par máximo de 155 Nm a 4.000 revoluciones. Este Touran FSI, lleva un motor con bloque de aluminio, que se distingue por sus buenas propiedades acústicas. Como ejemplo, citar que el nuevo mecanismo de distribución tiene una cadena acústicamente optimizada. Para reducir aún más las rumorosidades mecánicas, también se ha modificado la carcasa que alberga el mecanismo de distribución. Esta nueva versión del motor FSI ha recibido retoques en el sistema de refrigeración de la culata, la bomba de aceite (para optimizar el consumo), el intercambiador de calor entre el aceite y el agua, el sistema de variación continua del desplazamiento del árbol de levas y el método de combustión, incluido el sistema de doble inyección. Un sistema de admisión optimizado, un sistema de alimentación de combustible en dependencia de la solicitación efectiva y el perfeccionado equipo de depuración de gases de escape contribuyen a que el 1.6 FSI sea uno de los motores de gasolina más eficientes en esta categoría de cilindrada.

En cuanto a prestaciones, el Touran 1.6 FSI acelera de 0 a 100 km/h en 11,9 segundos. El consumo promedio de este monovolumen -que puede llegar hasta 186 kilómetros por hora- es 7,4 litros de gasolina súper sin plomo cada 100 kilómetros, en un ciclo europeo homologado. El consumo extraurbano es de 6,2 litros. Más adelante se lanzará otra nueva motorización FSI en este modelo, un 2,0 litros de cilindrada con 150 CV de potencia.

2. NUEVO POLO FSI: EL PRIMERO DE SU SEGMENTO EN INCORPORAR ESTA TECNOLOGÍA

La nueva tecnología de inyección directa de gasolina -ya disponible en el modelo Golf con el motor 1,6 litros FSI de 110 CV- se incorpora ahora al Polo, con una mecánica de 1.4 litros y 86 CV de potencia a un régimen de 5.000 r.p.m.

Este régimen máximo, sorprendentemente bajo, proporciona no sólo un menor nivel de ruidos, sino una importante reducción del consumo. El par máximo de 130 Nm se encuentra disponible a un régimen de motor de 3.750 r.p.m.

El motor de cuatro cilindros en línea utiliza como base el del Lupo FSI, pero ha sido optimizado en algunos aspectos, como son una reducción de la fricción interior, el confort acústico y el consumo de gasolina.

El nuevo modelo Polo FSI consume una media de 5,8 litros de gasolina cada 100 kilómetros, un resultado que es un 9% inferior en comparación con el Polo de 75 CV que utiliza el sistema convencional de mezcla de combustible, que consigue una media de consumo de 6,4 l/100 km. En tráfico urbano, el Polo FSI consigue un ahorro de consumo del 13% con relación al motor de cuatro cilindros convencional.

El cambio más significativo del nuevo motor con respecto a la generación anterior es que la correa de distribución ha sido reemplazada por una cadena dentada que opera con un nivel acústico muy reducido. Un tensor asegura una prestación óptima. La utilización de cadena evita el cambio de la correa de distribución, alargando considerablemente la vida del motor y reduciendo las operaciones de mantenimiento.

Los esfuerzos de los ingenieros de Volkswagen para reducir las fricciones en el nuevo motor FSI han dado muy buen resultado. La bomba de aceite situada en el cárter está movida por cadena. Por primera vez, dentro del Grupo Volkswagen, se ha utilizado una bomba de aceite de flujo variable

Objetivo prioritario: reducción de las pérdidas por fricción

Para conseguir la máxima eficacia de funcionamiento, el nuevo Polo FSI utiliza un sistema de refrigeración de doble vía, con un radiador de flujo transversal. En este sistema, el flujo de refrigerante se divide tras entrar al cárter: una parte fluye directamente a través de éste, y la otra va directamente a la culata. Dado que cada uno de los flujos de refrigerante está controlado por un termostato, pueden armonizarse las diferentes temperaturas.

Un nivel de temperatura ligeramente superior en los elementos móviles del motor permite un grado de viscosidad más alta en el aceite lo que reduce la fricción interior del motor. Estas medidas también reducen el periodo de calentamiento del motor, lo que tiene un efecto positivo en la economía de consumo.

El sistema de refrigeración de doble vía del motor FSI también permite un grado de temperatura optimizado en la culata, que mejora la resistencia al picado de bielas, permitiendo relaciones de compresión más altas, mejorando la eficiencia termodinámica.

Con el motor del nuevo Polo FSI, Volkswagen ha alcanzado un nivel aun más refinado en la inyección directa de gasolina. La sigla FSI significa inyección estratificada de combustible (Fuel Stratified Injection). A través de un sistema «common-rail», la gasolina es inyectada a la cámara de combustión a una presión de 100 bar.

Para sacar el máximo rendimiento al sistema de alimentación, el Nuevo Polo FSI dispone de una bomba de inyección con pistón de alta presión y control de caudal de nuevo desarrollo. La bomba está movida por el árbol de levas y proporciona al combustible una presión máxima de 100 bar. Una válvula de control volumétrico garantiza que sólo se inyecte el combustible necesario para crear la presión adecuada en el sistema «common-rail».

La tecnología de estratificación contribuye a reducir el consumo

El notable ahorro de combustible que ofrece el motor FSI lo proporciona el sistema de carga estratificada, especialmente eficaz en regímenes de motor bajos y medios. En condiciones de carga media, , el motor FSI opera con un mayor volumen de aire de admisión. Para obtener estos mayores volúmenes, el motor opera en carga estratificada. La mezcla rica se concentra alrededor de la bujía, en la parte central de la cámara de combustión; el resto de la cámara contiene sólo aire puro.

Para obtener la carga estratificada en el sistema de inyección, el flujo interior del cilindro y la geometría de la cámara de combustión deben estar perfectamente coordinadas y con un diseño específico para obtener esa diferenciación de mezclas, ‘ricas’ y pobres’. En el motor FSI, el conducto de admisión consta de un sistema «tumble» (de turbulencia), con dos canales separados por cada cilindro. Una mariposa divide el conducto de admisión en dos secciones, superior e inferior. En el modo de carga estratificada, la mariposa cierra la sección inferior del conducto. Esto crea un torbellino de gran intensidad en la cámara de combustión.

A plena carga y durante la fase de regeneración y limpieza del catalizador de NOX, el motor FSI trabaja con un colector de admisión para la inyección de la misma forma que una mecánica convencional, aunque con una eficiencia superior. La gasolina no es inyectada en el ciclo de compresión, sino en el de admisión, para lograr una mezcla óptima de aire y gasolina. Para proporcionar al motor el máximo volumen de aire, la mariposa se abre, y se puede utilizar toda la sección del conducto de entrada de aire. El sistema «tumble» conmutable facilita, por lo tanto, una operación económica en el modo de estratificación, y alternativa en la operación de plena carga, orientada a la máxima potencia.

Tratamiento sofisticado de los gases de escape

Para la obtención del objetivo de óptimo consumo del combustible en los sistemas de inyección directa, se requiere un alto régimen de recirculación de los gases de escape, de hasta el 40%. Como consecuencia de ello, todos los componentes del sistema de escape se encuentran expuestos a temperaturas muy elevadas. Para obtener un régimen de recirculación de los gases de escape del 25% en una operación homogénea con un funcionamiento constante del motor, se requiere una distribución equitativa de los gases en todos los cilindros. La entrada de los gases de escape en el colector de admisión, moldeado en plástico resistente al calor, se produce por debajo de la válvula de aceleración en dirección contraria al flujo de aire de admisión.

Una electro-válvula refrigerada por agua y situada en la parte frontal de la carcasa de la culata regula el volumen de los gases de escape que son «recirculados» al proceso de combustión. Un sensor de temperatura, un sensor de presión en el sistema de gestión del motor y un sensor de presión y temperatura en el colector de admisión coordinan la entrada de aire frío y de los gases.

Uno de los logros más destacados de esta tecnología mecánica es el tratamiento eficaz de las emisiones de los gases de escape, a través de un convertidor catalítico colector de NOX, para reducir el volumen de óxidos de nitrógeno que se encuentran en los gases. Durante la operación de carga estratificada «empobrecida», se genera un volumen mayor de óxidos de nitrógeno, que tienen que ser transformados en compuestos de nitrógeno inocuos. Por esta razón el motor del Polo FSI instala un convertidor catalítico colector de óxidos de nitrógeno, cuyo funcionamiento es similar a un catalizador de tres vías pero que, además, reduce el volumen de NOX, recogiéndolo de forma temporal. Un sensor identifica el momento de saturación del catalizador y la gestión del motor conmuta de inmediato a un modo de funcionamiento homogéneo. Durante este modo de carga «rica», los óxidos de nitrógeno depositados en el catalizador se convierten en compuestos inofensivos, que son expulsados al exterior.

La reducción de NOX se realiza una vez por minuto, y tarda aproximadamente dos segundos. Además de eliminar el NOX el convertidor catalítico también asegura la eficaz oxidación de los hidrocarburos y del monóxido de carbono. El Polo FSI cumple ampliamente la norma sobre emisiones EU4.

Un problema para los actuales motores FSI es el azufre incorporado en la gasolina, que va reduciendo de forma paulatina la capacidad de trabajo del catalizador colector de NOX. A temperaturas superiores a los 650 grados centígrados, fácilmente alcanzables en el ciclo de operación mixta, la saturación del catalizador puede revertirse. Durante la utilización en tráfico urbano estas temperaturas, sin embargo, no se alcanzan. A través del sensor de NOX, el contenido de azufre en el catalizador puede ser determinado con exactitud, y se inicia un proceso activo de eliminación de azufre por medio del calentamiento del convertidor catalítico. Para conseguir el máximo rendimiento de la inyección directa de gasolina, los vehículos con mecánica FSI deben cargar gasolina con bajo contenido de azufre. La gasolina de 95 octanos comercializada en España tiene un contenido máximo de azufre de 150 ppm (martes por millón); la de 98 octanos, de hasta 50 ppm. Existe en Europa una gasolina Optimax, cuyo contenido en azufre es de 10 ppm.

La utilización de gasolinas con menores contenidos de azufre permite un funcionamiento en proceso de regeneración del catalizador mucho más espaciado y por tanto, menores consumos finales y menor contaminación ambiental.

3. GOLF FSI, INYECCIÓN DIRECTA DE GASOLINA DE 110 CV