Los motores de encendido por compresión son un gran avance: tenemos que probar uno.
Se llama ignición por compresión controlada por chispa, y Mazda lo hizo funcionar.
Esto parece un Mazda 3, pero en realidad es un prototipo de un millón de dólares de la nueva arquitectura de chasis Skyactiv de la compañía y su nuevo motor Skyactiv-X. Crédito de la imagen: Mazda motors
Por Jonathan Gitlin para Ars Technica Enero 25 de 2018
IRVINE, California. A pesar de los rumores en sentido contrario, el motor de combustión interna está lejos de estar muerto. Recientemente hemos visto varios avances tecnológicos que aumentarán significativamente la eficiencia de los motores a gasolina. Uno de estos, reportado por primera vez en agosto de 2017, es el avance de Mazda con encendido por compresión. El martes, Mazda nos invitó a su instalación de I + D en California para aprender más sobre este nuevo e ingenioso motor Skyactiv-X, pero lo más importante es que tuvimos que conducirlo en la carretera.
¿Qué tiene de especial este motor entonces?
El ingeniero de Mazda , Jay Chen, explica cómo funciona Spark Controlled Compression Ignition y por qué es un gran avance. Crédito de la imagen: Jonathan Gitlin
La idea detrás de Skyactiv-X es poder hacer funcionar el motor con una mezcla de combustible-aire (lo que se conoce como λ) como sea posible. Debido a que la combustión muy pobre es más fría que una reacción estequiométrica (donde λ = 1 y hay exactamente suficiente aire para quemar completamente cada molécula de combustible pero no más), se desperdicia menos energía en forma de calor. Además, los gases de escape contienen menos óxidos de nitrógeno desagradables y el aire no utilizado se pone a trabajar. Absorbe el calor de la combustión y luego se expande y empuja hacia abajo sobre el pistón. El resultado es un motor más limpio, más eficiente y más potente. Y Skyactiv-X usa una mezcla muy pobre: una λ de hasta 2.5.
Eso suena como un santo grial automotriz, por lo que podría estar preguntándose por qué no todos lo hacen. Como suele ser el caso, el mundo real no es tan simple. El problema con las mezclas muy delgadas de aire / combustible es que su combustión no es particularmente estable; Debido a que las moléculas de combustible están mucho menos concentradas, es fácil que el evento de combustión se esfume. La solución, entonces, es comprimir las cosas en un grado mucho mayor de lo normal. Y si comprimes el combustible y el aire lo suficiente, sucede algo maravilloso: se enciende sin necesidad de una chispa
Esto se conoce como ignición por compresión de carga homogénea, o HCCI, una idea que Kyle Niemeyer cubrió en profundidad para nosotros en 2012. HCCI también tiene otras ventajas. Además de la combustión del enfriador y con menos contaminantes, el evento de combustión ocurre más rápido, con un pico de presión más alto, por lo que puede obtener más trabajo con la misma energía. Todo eso suena muy bien, así que probablemente se esté preguntando por qué cada motor de gasolina en la carretera no solo usa HCCI.
Desafortunadamente, ha sido una de esas ideas que funcionó en el laboratorio pero que nunca pudo traducirse en un motor de producción. El mayor problema siempre ha sido controlar exactamente cuando durante el ciclo del motor se produjo el encendido por compresión, algo que usted quiere lo más cerca posible del punto muerto superior.
HCCI, ¿pero con una bujía?
El avance de Mazda fue darse cuenta de que la bujía aún podría tener un papel. El motor Skyactiv-X ha sido diseñado para tener una relación de compresión muy alta-16: 1 de hecho-y para usar una relación aire / combustible muy pobre, pero ambos están justo por debajo del umbral necesario para que ocurra HCCI. En cambio, el motor de Mazda usa una chispa para comenzar la fiesta; la bola de fuego resultante agrega más calor y presión a la cámara de combustión, ¡y listo! La ignición por compresión se ha activado. Mazda llama a esta Ignición de Compresión Controlada por Chispa, o SPCCI.
The Skyactiv-X engine. Crédito de la imagen: Jonathan Gitlin
Obviamente, esto no estuvo exento de desafíos. El combustible: la mezcla de aire debe ser un poco más rica cerca de la chispa para que se encienda de lo que desea en el resto del cilindro. Estas deben ser regiones distintas para evitar que λ caiga a 2 o menos (que no sufrirá ignición por compresión). Esto se logra haciendo girar el aire dentro del cilindro y generando un efecto de vórtice, donde el centro de la calma tiene un λ suficientemente bajo para encenderse por chispa, rodeado por una región de λ alta que luego experimenta ignición por compresión.
El siguiente desafío de Mazda era evitar la preencendido o el golpe. Las relaciones de compresión más altas aumentan el potencial de golpeteo, razón por la cual los motores de mayor relación de compresión generalmente también requieren un combustible de octano más caro y más alto que es resistente a los golpes. Ahora, técnicamente, la ignición por compresión es golpeada, pero si ocurre antes de que lo desee -en el punto muerto superior- pueden ocurrir cosas malas, porque un evento de combustión ejercerá presión hacia abajo en el pistón a medida que avanza en una carrera de compresión.
La solución aquí era usar menos tiempo para calentar el combustible: mezcla de aire. Al principio, hay una pequeña inyección de combustible, luego, la mayor parte del combustible se introduce en el cilindro lo más tarde posible durante la carrera de compresión. Esto se hace usando inyectores de múltiples orificios para aumentar la atomización y la mezcla de combustible y aire.
Skyactiv-X from another angle. Crédito de la imagen: Jonathan Gitlin
Si todo eso no fuera suficiente, existe el problema adicional de hacer un seguimiento del encendido por compresión. En el pasado, este ha sido uno de los problemas más difíciles de resolver para los motores HCCI. Idealmente, desea que la combustión ocurra en el mismo punto en el ciclo del motor cada vez, aproximadamente cuatro grados después del punto muerto superior. Pero a medida que cambian las condiciones ambientales, un día frío en Denver en comparación con uno caliente en Houston, el tiempo necesario para que la bola de fuego alcance la presión suficiente también cambia. Por lo tanto, el motor debería poder cambiar la temporización de la chispa para mantener la presión máxima en el lugar correcto.
Skyactiv-X hace esto al monitorear activamente la presión en cada cilindro, por lo que conoce el rastro de aumento de presión de cada evento de combustión. Si se desvía, la sincronización de la chispa se ajusta para compensar. Jay Chen, uno de los ingenieros de powertrain de Mazda , explicó que esto era algo en lo que la compañía había estado pensando por un tiempo, pero solo recientemente ha sido posible ahora que los procesadores de control del motor son lo suficientemente rápidos para controlar las cosas caso por caso.
Y una más para la suerte. Crédito de la imagen: Jonathan Gitlin
Skyactiv-X tiene otras características que lo diferencian de la actual familia de motores Skyactiv-G de Mazda . Tiene un sistema de combustible de inyección directa de mayor presión para promover la atomización que corre entre un sistema de inyección directa de gasolina actual y un sistema de DI diésel, aunque no pude obtener una cifra específica de presión de combustible. Hay sensores de presión en el cilindro, que son necesarios para alimentar los cerebros digitales del motor con los datos que necesita para controlar el tiempo. Hay un sobrealimentador tipo Roots de bajo impulso: Mazda lo llama un suministro de aire de alta respuesta, ya que su trabajo no es agregar potencia, y solo contribuye con grandes cargas. También hay un intercooler de aire a agua, un recirculador de gases de escape (EGR) que ayuda a prevenir la combustión prematura, actuadores eléctricos de sincronización de válvulas variables (que usan motores paso a paso) para una sincronización de válvulas más rápida y, finalmente, un arranque híbrido suave de 48v detener el sistema
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