Relación de compresión de un motor

Uno de los factores que más afectan al funcionamiento de un motor es sin lugar a dudas la relación de compresión. Se trata de un dato que determina en gran medida su rendimiento térmico. Es decir, la forma en que aprovecha la energía proveniente de la combustión para transformarla en movimiento.

Sin dar rodeos, se trata de la relación que existe entre el volumen de la mezcla aire/combustible cuando está comprimida y su volumen una vez que ya se ha detonado. Aunque para ser exactos, en los motores diésel lo que se comprime es solo aire, porque el gasóleo se inyecta después.

La relación de compresión se expresa como dos números que permiten mensurar una proporción. Por ejemplo: 10 a 1, 11 a 1, 12 a 1, 14 a 1 ó el valor que sea, que solo quiere decir que la mezcla se expande 10, 11, 12 ó 14 veces una vez que ha ardido. Cuanto más diferencia haya entre los dos volúmenes comparados, más rendimiento térmico tendrá el motor, porque más aprovechará su expansión para generar movimiento.

Relación de compresión alta o baja

Una vez que se sabe esto, la pregunta más natural es: ¿por qué no tienen todos los motores una relación de compresión altísima? ¿Por qué hay muchos que se conforman con una relación baja de 10 a 1, si serían mucho más eficientes si fuese más alta?

Para entender esto, hay que conocer dos datos muy sencillos, pero que son determinantes:

• la autodetonación: existe una presión máxima a la que se puede someter la mezcla de aire y combustible sin que detone por sí sola. Si se supera este límite antes de que el pistón llegue arriba, la explosión se produce antes de tiempo y el motor puede dañarse seriamente.
• la presión de compresión: es la presión que alcanza la mezcla una vez que el pistón está en la parte más alta de su recorrido. Si inyectamos poca mezcla en ese volumen, la presión será baja y si inyectamos mucha será más alta. Así que entenderás que hay un límite de combustible que se puede meter en ese espacio sin provocar al fenómeno antes mencionado de la autodetonación.

Si ya has asimilado estos conceptos, entenderás que la relación de compresión no puede ser alta en cualquier modelo. Hay motores que son capaces de meter mucho combustible en sus cámaras de combustión. En ellos, todo iría bien mientras no se apretase mucho el acelerador, porque se estaría inyectando poca mezcla. El problema vendría al apretar más el acelerador, momento en el que la mezcla sería demasiado abundante y se autodetonaría antes de tiempo por exceso de presión de compresión.

La solución a esto se aprecia claramente en los motores turbo, en los se disminuye deliberadamente la relación de compresión. Como meten aire comprimido en los cilindros para poder quemar más combustible en ese espacio, no pueden tener una relación de compresión alta porque se autodetonaría antes de tiempo.

Podemos ver la relación de compresión de algunos modelos para ver que depende mucho del tipo de motor:

• El Seat León 2020 1.5 EcoTSI de 150 CV: cuenta con un motor gasolina turboalimentado y tiene una relación de compresión de 10,5 a 1.
• El Toyota GT86 2016: cuenta con un motor atmosférico y tiene una relación de compresión de 12,5 a 1.
• El Mazda 3 Skyactiv-G 2.0 de 122 CV: tiene también un motor atmosférico y su relación de compresión es de 13 a 1.

Relación de compresión y octanaje

El octanaje del combustible también afecta mucho a la relación de compresión con la que se puede configurar un motor. Esta propiedad hace referencia a la presión que puede aplicar a un combustible antes de que autodetone. En la gasolina son los números que ves en todas las gasolineras: 95 ó 98.

Cuanto mayor es esta cifra, más presión soporta el combustible sin detonar. Así que los motores que usan gasolina 98 pueden optimizarse con una relación de compresión más alta sin problemas. Por ejemplo, el Honda Type R usa gasolina 98 por las características de su motor 2.0 turboalimentado de 320 CV.

Relación de compresión en motores diésel y gasolina

Uno de los motivos por los que el motor diésel es más eficiente que un gasolina es que su relación de compresión es mayor. Lo normal es que en los turbodiésel esté entre los 15 a 1 y los 17 a 1, aunque también se pueden encontrar motores de hasta 24 a 1.

Esta relación se puede conseguir gracias a que los motores diésel funcionan de manera muy diferente a los gasolina. No prenden la mezcla de combustible y aire mediante la chispa de una bujía, sino que comprimen aire para luego inyectar el gasoil donde detonará por presión sin ningún sistema que lo induzca.

Como el lógico, están calibrados para que hagan esto en el momento adecuado, que es cuando el pistón está arriba del todo y ya le toca bajar. Es decir, cuando ha terminado la fase de compresión y empieza la de expansión dentro del ciclo de un motor de cuatro tiempos. No como cuando la mezcla se autodetona antes de tiempo con el consiguiente daño al motor.

Cetanaje no octanaje

En el caso del gasóleo el dato que interesa no es el octanaje sino el cetanaje. Que es el valor que determina el tiempo que tarda en detonar el combustible, desde que se le somete a presión. En el caso de un motor diésel es el tiempo que tarda en detonar desde el momento en el que se inyecta en el aire que se ha comprimido previamente.

El gasóleo que se vende hoy en día tiene un cetanaje de entre 51 y 55. Cuanto mayor sea este número, antes detonará y menos retardo habrá en la cámara de combustión para obtener la energía. Algo que algunas compañías petroquímicas usan como reclamo comercial para que los clientes se decanten por sus gasolineras.

Compresión mínima de un motor diésel

Hay un concepto que también es interesante conocer en los motores diésel y es que requieren de una compresión mínima. Si no llegan a determinado nivel, no podrán encender el gasóleo y no funcionarán. Es decir, que si se pierde demasiada presión, por ejemplo por los segmentos del pistón o por las válvulas, el motor ni siquiera arrancará.

Esto no ocurre en un motor gasolina, porque lo que enciende la mezcla de aire y gasolina es la chispa de las bujías. Lo que no quiere decir que no vaya a perder presión por donde tenga las fugas, una vez que se haya producido la detonación. De esa manera funcionará, pero perdiendo eficiencia y rendimiento al no poder aprovechar bien la energía.

La excepción a la norma

Hay una excepción a esta diferencia entre gasolina y diésel, que ha sido desarrollada por Mazda: el Skyactiv-X 2.0 de 180 CV. Este motor gasolina tiene un funcionamiento que está a caballo entre el de un diésel y un gasolina. La detonación del combustible se realiza en parte por la compresión y por las bujías. Por eso tiene una relación de compresión de 16,3 a 1 que es comparable a la de muchos diésel. Por ejemplo: el BMW 320d 2019 tiene 16,5 a 1, la del Audi A4 2020 40 TDI está en 15,5 a 1 y la del Mercedes Clase C 220d 2018 también.

De ahí que la marca anuncie unos consumos cercanos a los de un diésel con un nivel de rendimiento similar (180 CV), aunque este motor se trate de un gasolina atmosférico.

Relación de compresión variable

Aquí llegamos a una solución que permite modificar la relación de compresión según sea conveniente. Una capacidad que permite mejorar de forma considerable la eficiencia y el rendimiento. Un motor equipado con un sistema de compresión variable permite conseguir la relación perfecta, ya se le inyecte gran cantidad de mezcla o se le inyecte poca.

Por ejemplo, si se va a “punta de gas” para mantener la velocidad, la cantidad de mezcla que se mete en la cámara de combustión es pequeña. Momento en el que la relación de compresión puede ser mayor sin que se produzca autodetonación. En cambio, si le pedimos la máxima aceleración al mismo motor, la mezcla será mucho más abundante y ocupará más volumen, así que la relación de compresión se adaptará para ser menor y así evitar que explote antes de tiempo.

En la práctica esto se nota en que el motor con compresión variable consigue más eficiencia, porque ajusta la relación de compresión al máximo posible en cada circunstancia. Al mismo tiempo, también permite llegar a un rendimiento muy alto porque puede ajustarla al mínimo para poder meter mucha mezcla dentro en la cámara.

Un buen ejemplo de este tipo de tecnología es el motor VC-T de Infiniti, submarca de lujo Nissan. Funciona gracias a que añaden un árbol exocéntrico y unas bielas intermediarias que conectan con el cigüeñal. Un actuador mueve este conjunto de piezas para desplazar la carrera de los pistones hacia arriba o hacia abajo para modificar la relación de compresión. En el siguiente vídeo puedes ver cómo lo hace:

Otro ejemplo interesante es el nuevo motor INNEngine que se encuentra en fase de desarrollo. Que recurre a un sistema mucho más sencillo para conseguir un efecto parecido, ya que en lugar del típico cigüeñal, tiene un juego de platos de levas o platos sinusoidales.

Fórmula de la relación de compresión

Los valores que se tienen en cuenta para calcular la relación de compresión (RC) son el diámetro interior del cilindro (d), la carrera del pistón (s), que es la distancia que recorre del PMS al PMI, y el volumen mínimo de la cámara de combustión (Vc). La fórmula es la siguiente:

Sin embargo, este cálculo de la relación de compresión no incluye algunos detalles que convendría añadir si procede. Según la configuración del motor, puede haber ciertos volúmenes que no estén contemplados en la fórmula:

• si la cabeza del pistón es cóncava, hay que añadir el volumen de ese hueco, ya que ni está sumado en la carrera del pistón, ni tampoco tiene por qué estar incluido en el volumen de la cámara de combustión. Si no se dispone de los datos del fabricante, se puede optar por medirlo de forma directa. Aunque requiere de tener el componente a mano. Se trata de llenarlo de líquido para ver cuánto volumen tiene realmente. En el minuto 4.10 de este vídeo puedes ver como se hace. Un trabajo de taller que requiere cierto equipamiento.
• La junta de la culata también es un valor a añadir al volumen mínimo de la cámara de combustión, si es que no está incluido ya en él. En este caso es muy fácil obtenerlo porque se trata medir su altura y usar de nuevo fórmula del volumen de un cilindro.

Imagen gasolinera – Mikel Ortega