Cómo funcionan los motores de encendido por compresión de gas

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El motor SKYACTIV-X de Mazda es el primer motor de gasolina comercial del mundo que utiliza encendido por compresión. Mazda

En el verano de 2017, Mazda hizo un anuncio: la compañía automotriz encontró una manera de fabricar motores de gasolina de encendido por compresión para automóviles de pasajeros. Mazda afirmó que su nuevo motor podría mejorar la economía de combustible entre un 20 y un 30 por ciento, lo que es un logro considerable para un motor de gasolina..

Antes de sumergirse en esta tecnología, vale la pena señalar que el motor de encendido por compresión no es un concepto nuevo. Los coches de Fórmula 1 utilizan motores de encendido por compresión y varios otros fabricantes han intentado desarrollar una versión comercialmente viable para los turismos. Pero el motor de Mazda, denominado Skyactiv-X, será el primer motor de este tipo producido en masa y disponible comercialmente. Gracias a Jay Chen, un ingeniero de sistemas de propulsión de Mazda, pudo aprender cómo se logró este avance. Primero, sin embargo, tenemos que echar un vistazo a las funciones básicas de un motor..

Un motor funciona encendiendo combustible de dos formas: calor y compresión. Los motores de encendido por chispa se encuentran en la mayoría de los automóviles de gasolina. En este tipo de motores, las bujías se encienden para encender el combustible en la cámara de combustión, mientras que la mezcla de aire y combustible también se comprime. Esta es una versión muy simplificada del proceso, por supuesto, solo para ilustrar la principal diferencia entre los dos tipos de motores. Los motores de encendido por chispa siguen un ciclo y requieren una sincronización precisa para funcionar, pero generalmente son confiables en una variedad de condiciones [fuente: Knight].

Los motores de encendido por compresión funcionan más como motores diesel. Los motores diesel están diseñados para una compresión mucho mayor (que requiere componentes más pesados ​​y una construcción más fuerte) y usan bujías incandescentes como fuente de calor en lugar de bujías. Las bujías incandescentes calientan la cámara de compresión, lo que a su vez aumenta la compresión dentro de la cámara. Cuando se agrega combustible a la cámara, se rocía a través de la punta de la bujía incandescente, pero el proceso se basa en la compresión más que en el contacto del combustible y la bujía. La falta de "chispa" ayuda a los motores diésel a lograr calificaciones más altas de la EPA que los motores de gasolina con especificaciones similares [fuente: Stewart].

Si nos enfocamos en el gas, quizás se pregunte, ¿cuál es el punto de explicar cómo funciona un motor diesel? Simplemente, para ilustrar la importancia de la compresión. La mejor manera de mejorar el motor de gasolina es descubrir cómo aumentar la compresión, lo que permite que el motor utilice su suministro de combustible de manera más eficiente..

Un motor de gasolina de encendido por compresión combina las mejores partes de estos procesos. El motor está programado para atrapar aire (típicamente, escape del motor) en el cilindro del motor ajustando la sincronización de las válvulas de escape y admisión. Los inyectores de combustible agregan combustible a este escape atrapado y, dado que la mezcla atrapada está bajo una compresión muy alta, la cantidad relativamente pequeña de combustible puede encenderse..

Los motores de encendido por compresión pueden incluso dividirse en dos tipos diferentes [fuente: Lindberg].

  • Encendido por compresión de carga homogénea (HCCI): Este motor mezcla aire y combustible y luego comprime esa mezcla hasta que se enciende. El motor de Mazda será el primer motor tipo HCCI que se producirá en masa.
  • Encendido por compresión directa de gasolina (GDCI): Este motor arroja gasolina en una mezcla de aire y escape que ya ha sido comprimido.

La principal diferencia entre estos dos motores es el punto en el proceso en el que se agrega el combustible, que se logra mediante ajustes en los ciclos y la sincronización de los motores. De lo contrario, los motores funcionan de manera similar; la compresión es el factor más importante.

El SKYACTIV-G de 2.0 litros tiene la potencia de un motor de 2.5 litros y la eficiencia de un motor diesel de 1.5 litros. Mazda

Los motores de encendido por compresión tienen algunas ventajas y al menos la misma cantidad de inconvenientes. Entre sus beneficios se encuentran:

  • Utiliza menos combustible que un motor de encendido por chispa
  • Utiliza el combustible de manera más eficiente (en otras palabras, se pierde menos energía por el encendido real y por el exceso de calor)
  • Como se usa menos combustible, el automóvil contamina menos

"Como una analogía aproximada, la ignición por chispa es similar a iniciar un fuego encendiendo solo un borde del periódico y dejando que la llama suba gradualmente por el papel", explica el ingeniero del tren motriz de Mazda, Jay Chen, por correo electrónico. "[La ignición por compresión] se parece más a una combustión espontánea en la que el combustible y el aire han alcanzado la presión y la temperatura críticas, y toda la carga cambia de fase al mismo tiempo, liberando así toda la energía a la vez. Al liberar toda la energía casi de una vez, [ encendido por compresión] puede extraer más energía (ya que ocurre mucho antes de que se agote la relación de expansión) de la misma cantidad de aire mientras se usa de dos a tres veces menos combustible y a temperaturas de combustión mucho más frías, lo que reduce aún más la energía térmica desperdiciada y la formación de emisiones. . "

Suena genial, ¿verdad? El problema es que estos motores son realmente delicados: si fueran fáciles de diseñar y usar, ya los estaríamos conduciendo. Incluso si no está familiarizado con los motores diésel, es posible que haya escuchado que pueden ser inconvenientes en condiciones subóptimas. Parte de eso se debe al propio combustible diesel, que tiende a "gelificarse" a temperaturas muy frías. No tenemos ese problema con la gasolina, que permanece líquida incluso en condiciones bajo cero. Pero el encendido por compresión aún puede verse afectado por el clima y otras condiciones ambientales, así como por otros factores como la calidad del combustible..

"Hasta ahora, los motores de combustión interna de encendido por compresión existían solo en condiciones estables de laboratorio o en prototipos de vehículos en bruto demasiado toscos para ser aplicados en producción", dice Chen..

En otras palabras, si la presión y la temperatura en los cilindros no se mantienen cuidadosamente, el proceso no funcionará. Las temperaturas demasiado frías pueden dañar los componentes sensibles del motor. Si el motor se calienta demasiado, puede comenzar a golpear, una condición que ocurre cuando la mezcla de aire y combustible se calienta demasiado y detona en el momento equivocado, lo que desperdicia combustible y da como resultado un motor que funciona mal. Un motor de encendido por chispa también puede enfriarse o calentarse demasiado, pero tiene un margen de error mucho mayor..

Hacer que un motor de encendido por compresión funcione de manera confiable depende de una combinación precisa de aire, combustible y gases de escape mezclados en la proporción perfecta, con la compresión perfecta, con la cantidad justa de calor aplicada en el momento correcto. Como sabemos, nadie ha podido construir un automóvil con un motor de gas de encendido por compresión todavía, por lo que este proceso debe perfeccionarse aún más..

Un automóvil impulsado por un motor de encendido por compresión de gas puede ser al menos tan eficiente como un automóvil eléctrico, y posiblemente incluso más. Reimar Gaertner / UIG

Poco después del anuncio de Mazda, los expertos de la industria automotriz comenzaron a especular si un motor de encendido por compresión para el mercado masivo podría "salvar" los motores de gasolina. Es decir, a medida que la industria avanza más hacia la tecnología híbrida y eléctrica, ¿podría este motor de gas ser lo suficientemente eficiente como para ser un contendiente viable??

Chen dice que Mazda está motivado por la creencia de que, "exprimiendo hasta la última gota de eficiencia del motor de combustión interna (junto con la electrificación una vez que se perfecciona el motor de combustión interna), podemos ofrecer un método para impulsar el automóvil hasta bien entrado este siglo. que tiene el potencial de generar las mismas o menos 'bien al volante' emisiones de CO2 que los vehículos eléctricos de batería pura alimentados por plantas de energía basadas en combustibles fósiles de diversas formas ".

En otras palabras, Mazda piensa que con la innovación continua, un automóvil impulsado por un motor de gasolina puede ser al menos tan eficiente como un automóvil eléctrico, y posiblemente incluso más. Echemos un vistazo a las diferencias entre este avance en la tecnología de encendido por compresión y los anteriores..

En 2007, Motor Trend condujo un Saturn Aura impulsado por un motor de encendido por compresión, que logró una reducción del 15 por ciento en el consumo de combustible en comparación con un Aura normal [fuente: Markus]. En ese momento, GM esperaba lanzar un vehículo con un motor de encendido por compresión en 2015, pero la marca Saturn se cerró solo unos años más tarde, y GM cambió gradualmente su enfoque a vehículos híbridos enchufables y eléctricos como el Chevrolet Volt.

Casi al mismo tiempo, Mercedes-Benz estaba trabajando en un sistema de encendido por compresión llamado DiesOtto, y Ford también tenía un proyecto en desarrollo [fuente: Estrada]. Sin embargo, ninguno de estos motores obtuvo luz verde para la producción, y la experiencia de Hyundai puede ayudar a explicar por qué [fuente: Markus].

Aparte de Mazda, Hyundai probablemente ha hecho el mayor progreso, con esfuerzos que salieron a la luz por primera vez alrededor de 2013 [fuente: Markus]. La compañía diseñó su versión de un motor de encendido por compresión sin bujías ni bujías incandescentes, con una fecha de lanzamiento prevista para 2023..

A pesar del progreso prometedor, Hyundai reveló en 2016 que los componentes del motor no eran lo suficientemente fuertes para hacer frente a la compresión requerida para que el proceso funcione. Por supuesto, se pueden diseñar componentes de motor más fuertes, a saber, el bloque, el cigüeñal y los cojinetes; así es como funcionan los motores diesel. Es muy caro y esos componentes más fuertes agregan peso al automóvil y reducen su eficiencia general. Hyundai había planeado desde el principio utilizar un turbocompresor para aumentar la potencia y mantener la compresión necesaria, pero descubrieron que también necesitarían un sobrealimentador, lo que redujo aún más el presupuesto. Y finalmente, Hyundai no estaba satisfecho con la cantidad de contaminación producida por estos trenes motrices. Al final, el proyecto fue mucho más caro y no tan limpio y eficiente como estaba planeado [fuente: Markus].

Los esfuerzos de desarrollo de Mazda han durado casi tanto tiempo como sus competidores..

"Skyactiv-X siempre estuvo en los planes incluso antes de que se lanzara la primera generación de Skyactiv", explica el ingeniero Chen de Mazda. "El primer paso en esta hoja de ruta fue la tecnología Skyactiv de Mazda [que se] introdujo en 2009. La mejora clave en ese momento fue la aplicación de una relación de compresión del motor inusualmente alta para aumentar la eficiencia general del motor y el rendimiento del tren motriz. Esto se logró mediante un combinación sinérgica de técnicas existentes aplicadas juntas para lograr lo que (hasta entonces) se creía imposible para los motores de producción ".

En términos sencillos: "Skyactiv" es el término para la estrategia de Mazda de aumentar la compresión para aumentar la eficiencia, y Mazda tuvo que modificar un poco para que el próximo Skyactiv-X funcionara. Como resultado de esos retoques, Mazda agregó una bujía a la mezcla, por lo que el motor puede cambiar entre compresión y encendido por chispa dependiendo de lo que sea más eficiente en ese momento. Esto puede parecer que va en contra de los conceptos básicos de la tecnología de motores de alta compresión, pero Chen dice que funciona..

"Este avance, que llamamos encendido por compresión controlado por chispa (SPCCI), amplió en gran medida el rango utilizable de operación y control de encendido por compresión y brindó la solución para una transición perfecta entre CI [encendido por compresión] y SI [encendido por chispa] modos de combustión utilizados a altas velocidades del motor (en el caso de Skyactiv-X) ", dice Chen.

En pocas palabras, la bujía es el ingrediente mágico que permite que el motor funcione sin problemas y se ajuste a diferentes condiciones, y solo se utilizará cuando sea absolutamente necesario. El motor de Mazda está diseñado para monitorearse a sí mismo y ajustar su funcionamiento en función de factores como las condiciones ambientales actuales, la forma en que se conduce el automóvil y las preferencias y configuraciones del conductor [fuente: Estrada].

Después de que a Mazda se le ocurrió esta idea, tomó otros dos años desarrollar el motor, tiempo durante el cual se tomó otra decisión importante. Los vehículos equipados con motores Skyactiv-X contarán con supercargadores para aumentar las especificaciones de potencia, lo que mejorará la dinámica de conducción y ayudará a convencer a los compradores potenciales de que se arriesguen con esta nueva tecnología [fuente: Estrada].

La última gran pregunta: ¿cuándo pueden esperar verlo los conductores? Un portavoz de Mazda dice que la compañía aún no puede revelar qué vehículos serán los primeros equipados con el motor Skyactiv-X o cuándo estarán disponibles. Tampoco sabemos si los vehículos propulsados ​​por motores de encendido por compresión costarán más que los vehículos comparables con motores de encendido por chispa. Sin embargo, es seguro especular que si bien Mazda será el primero en comercializar esta tecnología, es casi seguro que otros fabricantes lo sigan..

Nota del autor: Cómo funcionan los motores de encendido por compresión de gas

A diferencia de muchos de mis colegas, no me preocupa especialmente "ahorrar motores de gasolina", aunque eso probablemente ayudaría con la seguridad laboral. Tal vez debería ser un poco más egoísta al respecto, pero decidí escribir sobre el motor de encendido por compresión simplemente porque me intriga cualquier innovación que pueda ayudar a que un automóvil sea más eficiente..

Por esa razón, la sostenibilidad en general, estoy ansioso por probar un vehículo con un motor de encendido por compresión tan pronto como estén disponibles. Al igual que los híbridos y los eléctricos, creo que habrá mucha conversación sobre si estos vehículos son lo suficientemente potentes o no. Honestamente, sospecho que la persona promedio no podrá notar la diferencia. Hay muchas formas de hacer que un automóvil sea interesante de conducir, además de hacerlo lo más potente posible, y esa es un área en la que Mazda sobresale..

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Fuentes

  • Brown, Jacob. Especialista, Comunicaciones de productos, Mazda. Correspondencia personal. 1 de septiembre de 2017.
  • Chen, Jay. Ingeniero de tren motriz, Mazda. Correspondencia personal a través de Jacob Brown. 1 de septiembre de 2017.
  • Estrada, Zac. "Mazda podría tener la tecnología para salvar el motor de combustión interna". The Verge. 8 de agosto de 2017. (30 de agosto de 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
  • Caballero, Cheryl. "Cómo funciona el sistema de encendido de un automóvil". YourMechanic. 19 de noviembre de 2015. (29 de agosto de 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
  • Lindberg, Austin. "Hyundai está desarrollando un motor de encendido por compresión a gasolina". Coche y Conductor. 18 de noviembre de 2013. (30 de agosto de 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
  • Markus, Frank. "Technologue: Love Child - Driving the Ultimate Bastard Engine". Tendencia del motor. 19 de noviembre de 2007. (30 de agosto de 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
  • Markus, Frank. "¿Qué pasó con el motor HCCI de Hyundai?" Tendencia del motor. 14 de diciembre de 2016. (30 de agosto de 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
  • Mazda. "Mazda anuncia una visión a largo plazo para el desarrollo tecnológico, 'Zoom-Zoom sostenible 2030'". 8 de agosto de 2017. (20 de agosto de 2017) http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
  • Stewart, Jack. "El nuevo y astuto motor de Mazda hace más millas con menos combustible". Cableado. 9 de agosto de 2017. (30 de agosto de 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
  • Szymkowski, Sean. "Cómo funciona realmente el motor SkyActiv-X de Mazda, basado en HCCI (video)". Informes de vehículos ecológicos. 21 de agosto de 2017. (30 de agosto de 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video



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