Algo se mueve en el sector de los motores de gasolina

Aunque algunos gurús del automóvil predicen el final de los motores de combustión interna en la propulsión de vehículos de carretera, la realidad es que esto no va a pasar a corto plazo y fabricantes como Toyota en sus estudios no lo sitúan antes del año 2050, es decir una generación más. Por ello hay que seguir evolucionando y el reto es ahora poder reducir las emisiones de efecto invernadero, el CO2, que se puede hacer mejorando el rendimiento de los motores, unido a la reducción de otras emisiones de efecto urbano. Como las limitaciones de estas emisiones de salud pública, como los óxidos de nitrógeno y las partículas, se lo ponen más difícil a los motores diésel, o al menos les elevan su coste, la investigación se ha centrado en los últimos años en nuevos desarrollos de motores de gasolina de encendido provocado.

Desde finales de la década de 1990, todos los diseñadores de motores se han centrado en tratar de mejorar el rendimiento de los motores de gasolina eliminando el estrangulamiento del flujo a carga parcial, que se realiza normalmente con la válvula de mariposa, y tratar de aumentar la relación de compresión. Un ejemplo ha sido la aparición de los motores de inyección directa con mezcla estratificada, iniciada comercialmente con los motores GDI de Mitsubishi en los años 1990, pero otras soluciones han ido por tratar de empobrecer la mezcla por debajo de sus límites de inflamabilidad y provocar la ignición por autoinflamación controlada por la temperatura, como en los motores diésel.

Esta idea no era nueva pues ya a principios del siglo XX se usaron los llamados motores de “cabeza caliente” donde la culata a elevada temperatura aportaba la energía de activación de la combustión o los pequeños motores de aeromodelismo que no tenían bujía y se modificaba la relación de compresión para ajustar el motor. Los primeras investigaciones modernas se realizaron por Onishi de Honda en el año 1979 con la denominada combustión “ATAC” para motores de 2 tiempos, y Naguchi de Toyota que la denominó “TS Combustion” para motores de 4 tiempos. Ya en el año 1995 Honda corrió la carrera París–Dakar con la Exp-2 que llevaba un motor de 2 tiempos de 400 cm3 y combustión HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, encendido por compresión de mezcla homogénea) y una relación de 4,58 kg/kW, que competía con la versión de 4 tiempos y 780 cm3 con 4,75 kg/kW. Esta moto apagaba la bujía a carga parcial y funcionaba con combustión HCCI lo que reducía su consumo a valores cercanos a la de 4 tiempos.

La idea de este tipo de proceso de combustión innovador era aprovechar el conocimiento que se tenía del proceso de detonación que es una autoinflamación descontrolada de la mezcla que daña el motor y produce un ruido característico (picado). El objetivo era para poder controlarlo y con ello poder encender mezclas muy pobres que no se encenderían por chispa. Además, con ello se reducen las pérdidas de bombeo a carga parcial, se mejora el rendimiento termodinámico, se eliminan casi completamente los óxidos de nitrógeno y se eliminan las partículas de hollín. Todo parecen ventajas, pero el problema está en poder controlar que la combustión ocurra en los cilindros cuando el pistón está cercano al punto muerto superior. El proceso se basa en que la mezcla homogénea premezclada en el conducto de admisión inicia controladamente ciertas reacciones químicas previas a la combustión exotérmica durante la carrera de compresión, para terminar la reacción de combustión justo antes del punto muerto superior.

Desde principios del siglo XXI todos los diseñadores de motores han ido aportando granos de arena para poder avanzar en este sentido. Se ha podido centrar el problema de diseño en poder controlar ciclo a ciclo la temperatura de la mezcla al inicio de la compresión, pues esa temperatura es la que va a acelerar más o menos las pre-reacciones y va a permitir centrar la combustión en su momento adecuado. Es conocido el trabajo de Mercedes con sus motores “Diesotto”, que hermana los conceptos de autoinflamación de la mezcla (motor diésel) con la mezcla homogénea (motor Otto), y en el que el control de la combustión lo hacen mediante un cierre adelantado de la válvula de escape y una inyección piloto de más o menos cantidad de gasolina para precalentar más o menos la mezcla en cada ciclo del motor. Otras soluciones para ajustar la temperatura de la mezcla que se han intentado se basan en la relación de compresión variable ciclo a ciclo que ya algunos fabricantes como SAAB propusieron en su tiempo y que ahora Lexus ya plantea en el mercado.

Y recientemente los ingenieros de Mazda han lanzado ya en los medios su nuevo motor Skyactiv-X con el sistema que han denominado SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition). En este motor el sistema de inyección directa produce durante la carrera de admisión una mezcla homogénea muy pobre que no se encendería con la chispa. Pero una nueva inyección en el interior del cilindro al iniciarse la compresión, en la zona cercana a la bujía, forma un pequeño nódulo de mezcla más rica que es encendida por una chispa. El calor y la subida de presión que produce su combustión inducen, por autoinflamación (encendido por compresión), la combustión del resto de mezcla pobre del cilindro.

Esta pequeña cantidad de combustible así como el momento del salto de esa chispa, se regulan ciclo a ciclo para que la cantidad de calor que produzca esta llama piloto regule en cada ciclo la temperatura del resto de la mezcla, y con ello se ajuste la autoinflamación al momento adecuado. Ello es posible por dos desarrollos: un sensor de presión en cada cilindro, y el ajuste ciclo a ciclo de la combustión del nódulo. Si la combustión se retrasa por la razón que sea, al ciclo siguiente se inyecta más combustible en el nódulo y si se adelanta se reduce. Es decir, gestión electrónica con control en bucle cerrado con la señal de presión en el cilindro. La autoinflamación se produce en toda la cámara de combustión casi al mismo tiempo, dando lugar a una combustión más rápida que mejora el rendimiento térmico, pero a baja temperatura por lo que no se forman NOX.

Pero, claro, este proceso es difícil de hacer con grados de carga elevados sin que se produzca un efecto similar a la detonación, y no puede hacerse a velocidades de rotación elevadas porque no hay tiempo para las prerreacciones de autoinflamación. Por ello, el motor Mazda usa este proceso SPCCI solo a carga parcial (acelerador hasta más o menos la mitad) y a revoluciones no muy elevadas, que es realmente cuando más tiempo se usa un motor en los vehículos actuales. En las demás condiciones de uso, el sistema se convierte en convencional con inyección directa de mezcla estequiométrica controlada por sonda lambda, encendido por chispa y catalizador de tres vías, con una asistencia eléctrica para evitar el uso de estas condiciones en muchas ocasiones. Por lo demás el Skyactiv-X es un motor convencional de 4 cilindros de 2000 cm3, con 4 válvulas por cilindro DOHC, sobrealimentación de baja presión y bloque de aluminio.

Dispone de una asistencia a la propulsión por un motor eléctrico insertado en el motor térmico. Pero la relación de compresión es extraordinariamente alta de 15:1, lo que contribuye a mejorar su rendimiento a carga parcial pues a grados de carga altos deberá retrasar el cierre de la válvula admisión o retrasar el encendido (esto no se ha publicado) para evitar la detonación, ya que usa gasolina convencional con Número de Octano 95.

Esperamos impacientes los primeros vehículos de Mazda con este motor y esperamos que otros fabricantes les sigan en su intención de mejorar el rendimiento de los motores de gasolina con la potencialidad compartida de una significativa reducción de emisiones de ámbito urbano.
Artículo íntegro escrito por Jesús Casanova Kindelán, Catedrático de Motores Térmicos en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y Vicepresidente de la Comisión Técnica de ASEPA de Motores, Combustibles y Lubricantes.

 Antonio Mozas Martínez

Director de ASEPA (Asociación Española de Profesionales de Automoción)

 
 
 

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