Cómo la compresión de gas

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 turismos. 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 sumergirnos 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 de automóviles han intentado desarrollar una versión comercialmente viable para 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, ingeniero de sistemas de propulsión de Mazda, HowStuffWorks pudo aprender cómo se logró este avance. Pero primero debemos echar un vistazo a las funciones básicas de un motor.

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Un motor funciona encendiendo combustible de dos maneras: 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 disparan para encender el combustible en la cámara de combustión, mientras que la mezcla de combustible y aire también se comprime. Esta es una versión muy simplificada del proceso, por supuesto, sólo 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 diésel. Los motores diésel están diseñados para una compresión mucho mayor (lo que requiere componentes más pesados ​​y una construcción más resistente) y utilizan 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 depende más de la compresión que del contacto del combustible y la bujía. La falta de "chispa" ayuda a los motores diésel a alcanzar calificaciones de la EPA más altas que los motores de gasolina con especificaciones similares [fuente: Stewart].

Si nos centramos en la gasolina, quizás te preguntes, ¿qué sentido tiene explicar cómo funciona un motor diésel? 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 (normalmente, 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 se pueden incluso dividir en dos tipos diferentes [fuente: Lindberg].

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

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

"A modo de analogía aproximada, el encendido por chispa es similar a iniciar un fuego encendiendo solo un borde del periódico y dejando que la llama suba gradualmente a través del papel", explica el ingeniero de tren motriz de Mazda, Jay Chen, por correo electrónico. "[El encendido por compresión] se parece más a una combustión espontánea en la que el combustible y el aire han alcanzado una presión y 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 a la vez, [ El encendido por compresión] puede extraer más potencia (ya que ocurre mucho antes de que se agote la relación de expansión) de la misma cantidad de aire mientras usa dos o tres veces menos combustible y a temperaturas de combustión mucho más frías, lo que reduce aún más el desperdicio de energía térmica y la formación de emisiones. ".

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Suena genial, ¿verdad? El problema es que estos motores son realmente quisquillosos: si fueran fáciles de diseñar y usar, ya los estaríamos conduciendo. Incluso si no está familiarizado con los motores diésel, es posible que haya oído que pueden resultar inconvenientes en condiciones subóptimas. Parte de esto se debe al propio combustible diesel, que tiende a "gelificarse" en temperaturas muy frías. No tenemos ese problema con la gasolina, que permanece líquida incluso en condiciones de congelación. 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 sólo existían 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 no se mantienen cuidadosamente la presión y la temperatura en los cilindros, el proceso no funcionará. Las temperaturas demasiado frías pueden dañar los componentes sensibles del motor. Si el motor se calienta demasiado, puede empezar 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 hace que el motor funcione 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 todavía un automóvil con un motor de gasolina de encendido por compresión, por lo que este proceso necesitaba perfeccionarse aún más.

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Poco después del anuncio de Mazda, los expertos de la industria automotriz comenzaron a especular si un motor de encendido por compresión de 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 gasolina ser lo suficientemente eficiente como para ser un competidor viable?

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

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En otras palabras, Mazda cree que con una innovación continua, un coche propulsado por un motor de gasolina puede ser al menos tan eficiente como un coche eléctrico, y posiblemente incluso más. Echemos un vistazo a en qué se diferencia este avance en la tecnología de encendido por compresión de los anteriores.

En 2007, Motor Trend condujo un Saturn Aura propulsado por un motor de encendido por compresión, que logró una reducción del 15 por ciento en el consumo de combustible con respecto a un Aura normal [fuente: Markus]. En ese momento, GM esperaba lanzar un vehículo con motor de encendido por compresión en 2015, pero la marca Saturn se cerró apenas unos años después, y GM cambió gradualmente su enfoque hacia vehículos eléctricos e híbridos enchufables 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 logrado 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 de los avances prometedores, Hyundai reveló en 2016 que los componentes del motor simplemente no eran lo suficientemente fuertes para soportar la compresión requerida para que el proceso funcionara. Por supuesto, se pueden diseñar componentes del motor más resistentes, como el bloque, el cigüeñal y los cojinetes; Así funcionan los motores diésel. Simplemente es muy caro y esos componentes más fuertes añaden peso al automóvil y reducen su eficiencia general. Hyundai había planeado desde el principio usar un turbocompresor para aumentar la potencia y mantener la compresión necesaria, pero descubrieron que también necesitarían un sobrealimentador, lo que arruinó aún más el presupuesto. Y por último, Hyundai no quedó satisfecho con la cantidad de contaminación producida por estos sistemas de propulsión. Al final, el proyecto resultó mucho más caro y no tan limpio y eficiente como se planeó [fuente: Markus].

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

"El Skyactiv-X siempre estuvo en los planes incluso antes del lanzamiento de la primera generación del Skyactiv", explica Chen, ingeniero 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 a través de 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 retocar un poco para que el próximo Skyactiv-X funcionara. Como resultado de esos retoques, Mazda agregó una bujía a la mezcla, para que el motor pueda cambiar entre compresión y encendido por chispa dependiendo de cuál sea el más eficiente en ese momento. Puede parecer que esto 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 enormemente el rango utilizable de operación y control del encendido por compresión y proporcionó 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.

Dicho de manera más simple, la bujía es el ingrediente mágico que permite que el motor funcione suavemente y se ajuste a diferentes condiciones, y solo se usará 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 ocurriera esta idea, se necesitaron otros dos años para desarrollar el motor, tiempo durante el cual se tomó otra decisión importante. Los vehículos equipados con motores Skyactiv-X contarán con sobrealimentadores 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 podrán 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 ni cuándo estarán disponibles. Tampoco sabemos si los vehículos propulsados ​​por motores de encendido por compresión costarán más que 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 seguirán.

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A diferencia de muchos de mis colegas, no me preocupa especialmente "salvar 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 hacer un automóvil más eficiente.

Por esa razón, la sustentabilidad en general, estoy ansioso por probar un vehículo con 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 maneras de hacer que un automóvil sea interesante de conducir, además de simplemente hacerlo lo más potente posible, y esa es un área en la que Mazda sobresale.