Técnica: Ignición por compresión de mezcla empobrecida (HCCI)

by Dinesh Harjani on 13 septiembre, 2016
OTRA COSA MÁS QUE APRENDEMOS DE LOS PETROLEROS

No lo podemos negar; tecnológicamente, los motores diésel han estado por delante de sus primos los motores de ciclo Otto durante años, hasta que las cada vez más estrictas restricciones de emisiones llevó a los fabricantes a apretarse los cilindros los cinturones e invertir en ellos; restricciones que, como ya sabemos, se pasaron casi todos por el catalizador.

Tras la inyección directa, los turbocompresores y los intercoolers, el siguiente paso será utilizar la compresión de la gasolina, y no la chispa proporcionada por una bujía, para provocar la ignición de la gasolina en la cámara de combustión. Éste es un tema que hemos visitado un par de veces en el pasado, pero que hoy, analizaremos en detalle. Es uno de los últimos movimientos del motor de combustión interna antes de pasar el testigo definitivamente a otras tecnologías.

Para explicaros cómo funciona la ignición sin bujía, repasaremos primero con rapidez la etapa de combustión en el ciclo Otto, en el que la mezcla se prende gracias a las bujías:

Ciclo Otto

Motor de ciclo Otto de cuatro tiempos y cuatro cilindros

De los cuatro tiempos en los que se divide el ciclo Otto: admisión, compresión, explosión y escape, sólo el de explosión aplica fuerza (energía cinética) a la rotación del cigüeñal. Fuerza que, a su vez, es «almacenada» en el volante motor, al que se conecta la caja de cambios a través del embrague.

En un motor de gasolina convencional, la fase de explosión sucede tras la compresión, cuando el pistón sube desde el punto muerto inferior (PMI), hasta el punto muerto superior (PMS), comprimiendo la mezcla de aire y gasolina a su paso. Una vez alcanzado el PMS, el distribuidor (pipa del delco), suministra 5.000 V al cilindro en cuestión para que la bujía produzca una chispa que incendie la mezcla, produciendo un frente de llama que consume la misma, empujando el pistón hasta el PMI. La mezcla no se enciende siempre en el PMI, depende del avance del encendido: uno retrasado calienta el motor, uno adelantado genera más potencia.

Con los años, esta premisa básica se ha ido complicando gracias a los avances técnicos. A vista de pájaro, puede parecer que los únicos cambios han sido pasar de la carburación a la inyección indirecta, y de la inyección indirecta a la directa. Pero en la realidad, ha habido muchísimos avances más pequeños de los que no se suele hablar tanto, como mejoras en el diseño de la cámara de combustión, mejoras en los materiales utilizados que facilitan la disipación de calor, o mejoras en cómo se inyecta el chorro de gasolina en el cilindro (una mezcla más homogénea facilita un avance consistente del frente de llama), entre muchos otros.

¿Cuáles son los límites a los que nos estamos enfrentando?

La mayoría de fabricantes, siguiendo la moda del downsizing, han abogado por abandonar los motores atmosféricos y optar por los turbocompresores, que aumentan la eficiencia de los motores al introducir aire comprimido en la cámara de combustión: al haber más aire, se puede quemar más gasolina, y obtener más fuerza en la fase de explosión. Pero al coger la mezcla de aire y gasolina mayor presión dentro de la cámara de combustión, aumenta la temperatura a la que se ve sometida la mezcla dentro de la cámara, elevando las posibilidades de que la mezcla autodetone por sí sola, antes de que el frente de llama producido por la ignición de la bujía la consuma; es por esto por lo que la relación de compresión en motores turbo es relativamente baja, para protegernos de la autodetonación.

Pistón reventado

Consecuencias de un picado de biela – Fotografía: konrad @ Driftworks

Recordemos que la autodetonación, o picado de biela, no es una detonación prematura de la mezcla de gasolina antes de que el pistón llegue al punto medio superior, sino una segunda o tercera detonación, tras la ignición de la mezcla por parte de la bujía. A medida que el frente de llama avanza consumiendo la mezcla, la presión y temperatura en la mezcla de aire y gasolina sin consumir asciende, y si el frente de llama no llega a tiempo, ésta puede autodetonarse, ocasionando que el nuevo frente de llama alcance las paredes del cilindro (cosa que no ocurre en una ignición controlada), pudiendo romper también la capa de protección térmica que impide a la mezcla ardiente fundir el metal del pistón y la junta de la culata. Por el contrario, cuando la mezcla arde de forma prematura, antes de que termine la carrera de compresión y la bujía produzca su descarga, hablamos de preignición, y no de autodetonación.

El mayor octanaje de la gasolina previene la autodetonación, ya que ofrece más resistencia a arder de forma no controlada. Con bajos octanajes hay que utilizar relaciones de compresión bajas, motivo por el cual los motores antiguos daban potencias específicas tan bajas

Cuando la ignición es iniciada por una bujía, la combustión se centra en el área de la cámara alrededor de la chispa, por lo que el frente de llama no avanza de forma uniforme, dejando restos sin consumir, aunque la mezcla aire-gasolina sea estequiométrica. Las altas temperaturas con las que se produce la deflagración dentro del cilindro favorecen no sólo la aparición de óxidos de nitrógeno (NOx), que contribuyen a la contaminación de nuestro aire y que aumentan las probabilidades de lluvia ácida, sino también de las (espero) ya famosas micropartículas de hollín, tan pequeñas que las podemos respirar y que, tras depositarse en nuestros pulmones, pueden causarnos cáncer.

Motores HCCI

Entra en escena la combustión por compresión de mezcla pobre

Quizás os suene más por sus siglas en inglés, HCCI, o Homogeneous Charged Compression Ignition. La idea básica consiste en conseguir una relación de compresión mas alta a través de una autodetonación controlada de la mezcla aire-gasolina en la cámara de combustión, sin el uso de una bujía.

¿Cómo?

El primer problema que afrontan los fabricantes es la palabra “homogénea” dentro de la sopa de letras que son las siglas HCCI, porque el cóctel aire-gasolina ha de estar bien mezclado para que la combustión sea eficaz y no deje restos. En el caso de la ignición por bujía, una buena mezcla también es importante, pero al estar la ignición concentrada en el área más cercana a la bujía, cobra menos importancia.

Si hemos logrado una mezcla perfectamente homogénea de aire y gasolina, cuando finalice la carrera de compresión, la presión y temperatura dentro de la cámara de combustión provocará que se produzca una ignición en diversos puntos de la mezcla, consumiéndola de forma completa y uniforme, sin dejar restos. Debido a que la combustión se ha producido de forma homogénea y simultánea, no se produce un frente de llama a una altísima temperatura, como sí ocurre en el caso de combustión por bujía.

Motores HCCI

¿En qué se traduce esto? Pues en que la combustión por ignición de mezcla pobre llega a ser, en algunos casos, hasta 500 ºC más fría que la combustión por chispa, no llegando a superar los 1500 ºC. Y como resultado de esta deflagración menos calorífica, no se producen óxidos de nitrógeno durante la fase de explosión. Además, tampoco se producen las cancerígenas micropartículas de hollín, y las emisiones de óxidos de carbono también se ven reducidas de forma notable. Por si esto fuera poco, se producen menos pérdidas energéticas debido a la menor transferencia de calor (hay menos calor que transferir), por lo que se gana eficiencia energética.

¿De cuánta compresión estamos hablando?

Del orden de 18:1, muy alta para un motor de gasolina, los Mazda SKYACTIV-G trabajan a 14:1, la mayor compresión de la industria. Y como estamos añadiendo más aire del que se necesita para consumir una parte de gasolina (recordemos que una mezcla estequiométrica ideal corresponde a una relación de 14,7:1), decimos que la mezcla está empobrecida, porque hay más aire del que se puede quemar por cada gota de gasolina. En una mezcla rica sucede lo contrario: hay más gasolina de la que se puede quemar con el aire en contenido el cilindro, por lo que al finalizar la combustión, habrá restos de gasolina sin quemar que se quedarán o saldrán a través de las válvulas de escape.

¿Por qué no se producen autodetonaciones fuera de control en este caso?

Debido a que la mezcla es homogénea y a que la combustión por compresión sucede en diversas partes de la cámara de forma simultánea, no hay regiones dentro de la cámara de combustión con distintos niveles de presión, por lo que no hay peligro de autodetonación, excepto cuando el motor funciona a plena carga. Por ello, la estrategia de ignición por compresión de mezcla pobre se prevé aplicar cuando el motor está en fase de carga baja o parcial, necesitando la combustión por bujía en momentos puntuales. Esto significa que los fabricantes de bujías aún podrán ganarse el pan, pero los usuarios con motores de este tipo no necesitarán tantos recambios al usarlas mucho menos.

Honda Civic CVCC

El Honda Civic CVCC de 1975, primer vehículo comercial en equipar un motor con tecnología CVCC

¿Cómo de nueva es esta idea?

La historia de la automoción es vasta, rica y muy alargada, y aunque no existen muchos precedentes para la ignición por compresión de mezcla pobre, sí que hay muchísimos ejemplos pasados en los que los ingenieros tomaron inspiración de los motores diésel para intentar reducir las emisiones de sus motores de gasolina.

En los años 70, Honda introdujo el concepto CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion), cuya premisa copiaba el concepto diésel de entonces de combustión en una antecámara. Esta técnica permitió a Honda cumplir con las normativas de emisiones, tanto en Japón como en Estados Unidos, durante la década de los años 70 sin la necesidad del uso de un catalizador o de una válvula de re-circulación de gases o EGR (Exhaust Gas Recirculation). Además, este invento permitía a Honda continuar utilizando carburadores, al contrario que otros sistemas de empobrecimiento de la mezcla conocidos en aquel momento, que requerían costosos sistemas de inyección.

Toyota Carina

Toyota Carina de primera generación, cuyo motor tope de gama de 2 litros (19R), equipó el sistema TTC-V

¿Cómo lo consiguieron?

Al igual que en la combustión por compresión, la mezcla aire-gasolina contenida en el cilindro era pobre, pero la mezcla en la antecámara era rica. Al producirse la ignición, el frente de llama nace en la antecámara, y se propaga a través de pequeñas perforaciones en la placa de metal que separa la antecámara del cilindro, permitiendo al frente de llama alcanzar la mezcla pobre situada en el cilindro y consumirla por completo, con las consiguientes reducciones en las emisiones de monóxido de carbono.

General Motors dudó de la eficacia de ese sistema y se burló de Honda, diciendo que solo era apto para coches pequeños. La compañía japonesa devolvió el golpe comprando un gran coche americano, un 1973 Chevrolet Impala 5.7 V8 lo envió a Japón, se le adaptó el sistema CVCC y se mandó de vuelta a Estados Unidos para ser homologado. La EPA certificó que el sistema del Civic también era válido para un sediento V8 americano.

Toyota obtuvo una licencia para utilizar este sistema en 1975, bajo el nombre comercial TTC-V (Toyota Total Clean system-Vortex), y tras realizar sus propias modificaciones y lanzarlo comercialmente en 1976, discontinuó su uso en 1977, para luego volver a utilizarlo en determinados vehículos de la marca Daihatsu. Honda por su parte utilizaría esta tecnología aproximadamente diez años, desde 1975 hasta 1986, hasta que fue abandonada para abrir paso al uso de sistemas de inyección.

Motor Mercedes W05

El motor Mercedes PU106A Hybrid, el primer campeón de la era moderna de la Fórmula 1

Y… ¿algo más reciente que se aplique hoy en día?

Habiendo visto los beneficios en eficiencia energética que proporciona la tecnología HCCI, y lo muy adelantados que estaban los de Mercedes en todos los ámbitos al entrar en la era V6 Turbo en el Mundial de Fórmula 1, se especuló con que los de Brixworth (no confundir con Brackley, que es donde se fabrican los chasis), empleaban esta técnica en sus motores. Con la incorporación de MAHLE como patrocinador de Ferrari en el Gran Premio de Canadá de 2015, y el uso de fichas o tokens de modificación del motor por parte de los italianos durante esa misma cita, se creyó que los de Maranello también habían adoptado la ignición por compresión de mezcla pobre.

Sin embargo, estos rumores fueron desmentidos porque la HCCI requeriría el uso de sistemas de distribución variable para poder regresar a la combustión convencional en casos de carga total, y la distribución variable está prohibida por el reglamento actual. Finalmente, se descubrió que en Brixworth y en Maranello están empleando la ignición de chorro de aire con turbulencias, más conocida como TJI o Turbulent Jet Ignition.

Otra razón de peso por la que se creyó que Mercedes podría estar empleando HCCI en la Fórmula 1, es porque llevan años promoviéndolo como característica de su concepto de motor DiesOtto, el cual, de nuevo, trata de aplicar los mejores conceptos de los motores diésel y traerlos a los gasolina. Fue presentado en 2007 en forma de 4 cilindros de 1.8 litros de cubicaje, erogando 235 CV (130 CV/litro) y 400 Nm de par, con inyección directa de gasolina, dos turbos de geometría variable, relación de compresión variable, distribución variable, y cómo no, ignición por compresión de mezcla pobre o HCCI. Según Mercedes, la relación de compresión variable es un requisito para poder aprovechar todos los beneficios de la inyección directa y de los dos turbos en régimen de alta carga de motor cuando no se está empleando la HCCI.

Mercedes-Benz F700 Concept

El concept car Mercedes F700, con motor DiesOtto

Desde 2014 no hemos vuelto a tener noticias de ellos

Pero no son los únicos con ganas de introducir la técnica HCCI en nuestros motores. General Motors anunció en 2009 el desarrollo de motores de cuatro cilindros con ignición por compresión de mezcla pobre, pero aún no han podido aplicarla en motores comerciales. Lo que sí han hecho es utilizar los conocimientos derivados de su desarrollo e investigación en la actualizada familia de motores modulares ECOTEC, que podemos ver en la gama Opel a este lado del charco. Y en Corea del Sur Hyundai está desarrollando su propio motor con HCCI, denominado GDCI o Gasoline Direct Compression Ignition, con la diferencia de que pretenden no utilizar bujías en ningún caso, ni si quiera cuando el motor esté a plena carga. Para evitar la autodetonación, se comprime una mezcla de aire frío con aire caliente procedente del colector de escape (hasta un 40%), y se retrasa la inyección de gasolina hasta que el pistón llegue al PMS en la carrera de compresión, maximizando así la carrera de explosión.

Pero en quien realmente confiamos para que esta tecnología llegue al mercado no es otra que en Mazda, porque con su tecnología SKYACTIV, Mazda ha apostado su futuro por hacer algo diferente (algo muy de Mazda, por supuesto), y es el de oponerse al downsizing y concentrarse en perseguir obtener la mayor eficiencia posible en sus motores atmosféricos que, teniendo mayores cilindradas que la competencia, tienen consumos reales mucho más próximos a los declarados que sus rivales sobrealimentados, el rightsizing.

Ironías de la vida, ahora Mazda defiende el dicho «There’s no replacement for displacement» (no hay nada como la cilindrada)

Nosotros ya conocemos la generación SKYACTIV actual, ¿así que qué nos depara la siguiente? Como ya nos adelantó Guille, Mazda espera poder aumentar su relación de compresión mucho más, utilizando HCCI, mejorando drásticamente los niveles de eficiencia de sus motores.

Motor rotativo Mazda

Comparativa de extensores de autonomía para vehículos eléctricos: en blanco un extensor convencional de pistones, en azul el equivalente de tipo Wankel propuesto por Mazda

Pero eso no es todo, porque la ignición por compresión de mezcla pobre también puede que llegue a los motores de tipo Wankel, y no sólo al motor bautizado como SKYACTIV-R del futuro RX-9 (que esperamos para el 2020), sino también en otros motores rotatorios más pequeños que Mazda pretende emplear como extensores de autonomía para cargar las baterías de sus vehículos eléctricos. Y es que además de su reducido peso y dimensiones, si comparamos el ruido producido a 3.000 RPM, el extensor de pistones produce 92 dB, mientras que el rotatorio de Mazda 87 dB: casi cuatro veces menos ruido (recordad que los decibelios se miden en una escala logarítmica).

¿Qué significa esto? Pues que el usuario cuyo vehículo posea un extensor de autonomía rotatorio no escuchará nada cuando se ponga en marcha

Admito que no es nuestro escenario idílico para un motor rotatorio, pero todo lo que sea darle mayor utilidad y aumentar las posibilidades de que su uso se extienda, son un punto a favor, en mi opinión.

Conclusiones

Nos podrá parecer algo nuevo – robar ideas de los motores diésel para mejorar nuestros motores de gasolina – pero la realidad es que los fabricantes llevan años intentando traer las técnicas de los petroleros a nuestros vehículos de gasolina. Sirva de ejemplo el hecho de que el downsizing tampoco es nuevo; si revisamos esta página de la revista Popular Mechanics en su edición de Diciembre de 1979, podremos leer cómo GM y Chrysler estaban optando por instalar más motores de cuatro y seis cilindros en lugar de sus V8 debido a los requisitos de consumo por parte del gobierno americano, y cómo Ford, con su concepto de motor PROCO (PROgrammed COmbustion), planeaba mantener sus V8 en el mercado y resistirse a la moda del momento. Si es que la historia es cíclica…

Mazda RX Vision Concept

Decía Steve que “un buen artista copia, [pero] los grandes artistas roban”. A ver si los motores de gasolina logran robarle la ignición por compresión a los petroleros.

comments
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  • Julian.force
    13 septiembre, 2016 at 9:38 pm

    El artículo está muy, ya se echaban de menos este tipo de textos. El único pero es la extraña definición de «relación de compresión» que para siempre ha sido la proporción entre los volúmenes del cilindro en su PMI respecto al del PMS.

  • Oliver
    13 septiembre, 2016 at 10:19 pm

    Del artículo, se me escapa cómo se hace para meter en la cámara de compresión la gasolina tan «atomizada» que efectivamente esté homogéneamente repartida por toda la cámara y perfectamente mezclada con el aire. Supongo que será un sistema de pulverización múltiple o algo así, lo que le obligaría a ser un sistema de enorme precisión, lo que, a su vez, implicaría que el mínimo fallo acabara en la tan temida autodetonación, destrozando el motor en un momento.

    De todas formas, si el tema eléctrico sigue avanzando y los coches empiezan a ser movidos por un motor eléctrico, quedando el motor de combustión relegado al papel de extensor de autonomía, quizá ya entonces un motor más tradicional o menos tecnológico cumpla con la ecología a base de hacerle girar sólo a un régimen en concreto en el que el compromiso consumo/contaminación/rendimiento sea el óptimo.

    • Dinesh Harjani
      13 septiembre, 2016 at 11:04 pm

      Como bien apuntas, no es sencillo porque no es un proceso que se pueda controlar con tanta facilidad como la ignición por bujía, al tratarse de una reacción química. A esto se añade que a día de hoy, todavía no entendemos completamente qué sucede dentro de la cámara de combustión de nuestros motores; algo en lo que Mazda está por delante gracias a su trabajo con los motores rotatorios.

      Por lo que tengo entendido, si se detecta que la combustión por compresión se está des-estabilizando en el cilindro, corriendo el riesgo de que comience a auto-detonar, el motor podría cambiar al uso de la combustión convencional temporalmente. Sobre cómo conseguir una buena mezcla, existen diversos métodos que ayudan a que sea lo más homogénea posible, como introducir la mezcla lo antes posible dentro de la cámara de combustión, e inyectar la gasolina formando una especie de torbellino dentro de la cámara para promover que las moléculas de aire y gasolina se entrelacen.

  • Tomás
    14 septiembre, 2016 at 9:32 am

    Buen articulo. Ahora me queda claro porque he visto motores de 4 cilindros con 8 bujias.

  • ismol
    14 septiembre, 2016 at 1:26 pm

    Interesante artículo. En el texto se afirma que los NOx se producen debido a las altas temperaturas, estoy casi seguro de que no es correcto y que se debe más a las elevadas relaciones de compresion que a la temperatura, a ver si alguien lo puede confirmar

    • 14 septiembre, 2016 at 1:39 pm

      Sin querer hacer una farragosa explicación química, sí, es uno de los factores. El aire común tiene una composición de nitrógeno puro en torno al 70%, por lo que entra en las cámaras de combustión. En condiciones de alta temperatura y alta compresión, este gas acaba reaccionando con el oxígeno para generar NO y NO2. El objetivo de los fabricantes es intentar reducir la generación de los NOx en las cámaras de combustión, y si eso no es posible, se procesa en el escape y se trata de neutralizar usando catalizadores que disocien los NOx y separen el nitrógeno en su forma inofensiva, N2.

  • JJ Lopez
    14 septiembre, 2016 at 5:51 pm

    Buen artículo. Como casi siempre en motores, son viejas ideas que sólo se pueden aplicar con nuevas técnicas.

  • Manolito Gafotas
    15 septiembre, 2016 at 12:46 pm

    Maravilloso artículo q no hace sino reafirmar mi admiración por Mazda, dicho por un toyotero convencido poseedor, además, de un Mitsubishi, por si eso pudiera mostrar algo.

  • 15 septiembre, 2016 at 7:37 pm

    Me encantan este tipo de artículos, y éste no es una excepción. Me encanta ver cómo avanza la ingeniería (otra cosa es que quiera esa ingeniería en mi coche XD).

  • AntiSpy
    16 septiembre, 2016 at 8:28 pm

    La idea es seguir dependiendo de la teta del petróleo y sus derivados a toda costa!

  • Pablo Mayo
    24 septiembre, 2016 at 8:44 pm

    Gran artículo Dinesh. Me ha parecido muy interesante la TJI, que no conocía. Dicen las malas lenguas que Mercedes sugirió a Ferrari (a petición del «abuelo») colaborar con Mahle y su Jet Ignition, para mejorar el rendimiento del motor.

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