Llegó el nuevo siglo, y la preocupación por el medioambiente y los precios de los combustibles fósiles nos hicieron reaccionar. Por un lado apareció la obsesión eléctrica, y por otro, la evolución de los motores de combustión y la hibridación.
Lo «bueno» de los motores eléctricos es que es relativamente fácil y económico fabricar un motor capaz de trabajar cerca del 90 o incluso 95% de la eficiencia. Vamos, que aprovechamos el 95% de la energía que tenemos disponible. Pero la ventaja de esto se convierte en desventaja en otro frente: Es difícil almacenar energía eléctrica, y en cambio, es muy fácil almacenar energía en forma de combustible. Vamos, que las baterías son caras y ocupan mucho, y el combustible resulta barato y ocupa poco en proporción.
Mientras trabajamos como humanidad en solucionar el problema básico de almacenar energía en baterías de manera más efectiva, ocupando menos y a menor costo, no nos queda otra que seguir mejorando los motores de combustión, especialmente si queremos cumplir con los objetivos de emisiones que tenemos a futuro, y queremos sacar más partido a cada gota de combustible.
Para ello, durante la última década hemos visto cómo un torrente de innovaciones llegaban a los concesionarios. Turbocompresores, inyecciones directas, hibridaciones… A veces, los fabricantes han pecado de obsesionarse con los criterios legales y homologativos, diseñando soluciones que brillan en los laboratorios, pero que a nivel de tacto de conducción dejan luego bastante que desear, al tiempo que encarecen y sobre-complican los propulsores.
Y luego está Mazda. Para cualquier friki de la ingeniería, la marca nipona de Hiroshima sigue siendo un santuario donde se ponen en cuestión todos los preceptos, desde los más básicos. Bajo ese enfoque de cuestionarse todo lo establecido nació el programa SkyActiv, y de él nacieron propulsores de gasolina convencionales en su definición (atmosféricos hasta la fecha), que eran capaces de ser mucho más eficientes que los de las marcas rivales, pero que además tenían ventajas manifiestas: No sólo logran ser eficientes en laboratorio, sino que en uso real, en carretera, cumplen sus promesas con una respuesta que, por norma general, resulta más agradable que los propulsores con mil aditamientos tecnológicos abordo.
¿Cómo lo logran? Pues planteándose las cosas de manera lógica: ¿De qué depende la eficiencia de un motor de gasolina? Sobre el papel, sobre la teoría, depende exclusivamente de la relación de compresión del motor. A mayor relación de compresión, mayor eficiencia.
Podría extenderme aquí horas y horas haciéndote una clase breve sobre el ciclo Otto y el ciclo teórico de Carnot, pero no te marearé con cifras y fórmulas. Básicamente te puedo decir que la ciencia, las matemáticas, nos dicen que un motor de gasolina de ciclo Otto (un cuatro tiempos de toda la vida), tiene una eficiencia teórica máxima del 75% aproximadamente (lo de aproximadamente va por el rango de temperaturas que podamos emplear, pero es un número bastante ajustado a la realidad). Vamos, que podemos aprovechar como máximo tres cuartas partes de la energía del combustible.
A mayor relación de compresión, más cerca estamos de alcanzar ese 75% de eficiencia máxima teórica de un ciclo Otto. ¿Y qué pasa con el resto de energía del combustible? Pues que se disipa en forma de calor. Calor en los gases de escape, y calor en los rozamientos (rozamiento entre pistón y paredes del cilindro, calor en el refrigerante del motor, calor en los cojinetes del motor, en los árboles de levas, etcétera). Incluso aspirar el aire para meterlo dentro del motor y quemarlo genera calor, al calentarse el aire de admisión, y ese calor es pérdida energética.
Mazda sigue con su cruzada para prolongar la vida de los motores de combustión a base de mejorarlos desde su precepto más básico: el diseño de la cámara de combustión
Para alcanzar ese 75% de aprovechamiento máximo teórico de la energía del combustible habría que trabajar con una relación de compresión cercana al 22:1. Te preguntarás por qué los fabricantes de motores no la utilizan entonces. La clave está en la detonación no controlada.
Para que un motor funcione como queremos, la mezcla de aire y combustible que tiene dentro ha de arder cuando uno quiere, y no cuando a ella le de la gana. Necesitamos que todo estalle y aplique trabajo cuando podemos aprovecharlo para mover las ruedas, cuando está el pistón listo para empezar a bajar. Si la explosión sucede antes de esto, podemos perforar el pistón, y no aprovecharemos la energía del combustible. Si la explosión sucede demasiado tarde, la relación de compresión efectiva (la de verdad) será inferior.
Hasta hace pocos años, el estado de la técnica que teníamos en el planeta tierra era tal que no podíamos emplear relaciones de compresión superiores a 8:1. ¿Por qué? Pues porque en cuanto comprimíamos más la mezcla de aire y gasolina, esta estallaba sin control.
Gracias a la evolución de la electrónica, pudimos contar con sensores más precisos, y sobre todo, con simulaciones por ordenador que nos permitieron entender más y mejor cómo se producía la combustión en la cámara de combustión. Entender lo que sucede dentro de la cámara de combustión en un motor puede parecer algo «fácil», pero la realidad es que aún a día de hoy, no terminamos de tener perfectamente controlado lo que allí sucede, ni terminamos de entender cómo se prende fuego a la mezcla, cómo se extiende el frente de llama y cómo todo esto empuja al pistón. Piensa que esto sucede en milésimas de segundo cuando el motor gira a altas revoluciones.
Por esta falta de control y conocimiento, lo que se ha hecho ha sido emplear combustibles de alto octanaje, que emplean aditivos que limitan la posibilidad de que la mezcla estalle antes de que salte la chispa, y al mismo tiempo, se utilizan relaciones de compresión conservadoras. Vamos, que como no sabemos bien diseñar cámaras de combustión, nos dedicamos a reducir por prudencia la relación de compresión.
Mazda se cuestionó todo esto, y gastó innumerables horas en estudiar cámaras de combustión reales y otras simuladas por ordenador. Evaluó cómo se propagaba el frente de llama, qué puntos calientes tenía el motor en su interior y trabajó con la inyección directa y el cuidadoso diseño de la cabeza del pistón para poder elevar la compresión del motor de gasolina hasta cifras de 14:1.
Gracias a ello, los motores SkyActiv atmosféricos de Mazda han logrado, en sus dos primeras generaciones, consumos, emisiones y eficiencia a la altura de los turboalimentados de sus rivales, pero con una respuesta al pedal del acelerador mucho más linea, progresiva, dosificable. Y con la ventaja agregada de que son motores cuya ventana de funcionamiento es mucho más amplia: Consumen poco con muy diversas cargas del acelerador, y no están diseñados para brillar en los ensayos y fracasar en la vida real.
Pero el esfuerzo de Mazda no se acaba aquí. La compañía ha deslizado nuevos detalles sobre la tercera generación de sus propulsores, y lo ha hecho prometiendo una mejora de eficiencia para llevarlo hasta el 60%. De ser verdad esta promesa, estaríamos ante el motor de gasolina más eficiente del mercado.
¿Cómo pretenden llegar a dicha eficiencia? Llevando la relación de compresión hasta 18:1, con gasolina convencional. Suena a misión imposible, pero con inyección directa de gasolina y un correcto diseño de la cámara de combustión, Mazda apuesta porque funcionará, basándose en el uso de la tecnología HCCI, o lo que es lo mismo, la combustión sin bujía. Mazda pretende la autodetonación de la mezcla, alcanzada la compresión de 18:1, como si el motor fuera un diésel, sin emplear la bujía, pero controlando de tal manera la combustión que no haya problemas con ello.
No sólo eso, también habla de «recuperar el calor de los gases de escape para mejorar la eficiencia». ¿Qué quiere decir esto? Pues nos está hablando veladamente del empleo de turbocompresores. Y es que un turbo, lo que hace es coger la energía de los gases de escape (en forma de calor y velocidad) y enfriarlos. La energía captada en ellos se emplea para dar energía al aire de admisión, lo que reduce las pérdidas globales del motor.
Obviamente, la reducción hasta los 50 gramos de CO2 emitidos por kilómetro que quiere Mazda para sus motores pasaba por sobrealimentaros con turbocompresores, aunque tal vez la compañía prefiera hacer algo al estilo Porsche 919 Hybrid, para evitar la pérdida del tacto del motor atmosférico.
El 919 Hybrid, si recuerdas, emplea un generador eléctrico conformado por una turbina instalada en el tubo de escape que mueve una suerte de alternador. Claro que para aprovechar esa energía captada hay que tener dónde almacenarla (batería o supercondensador), y luego en qué emplearla (motor eléctrico asociado al cigüeñal o las ruedas).
Sea como sea, llegar al 60% de eficiencia será un paso clave para conseguir coches con consumos cercanos a los dos litros cada 100 kilómetros sin sistemas híbridos, cumpliendo con las exigencias de emisiones que están por llegar de la mano de la Unión Europea.
¿El último resquicio para los amantes de los coches con motor de combustión tradicional? Probablemente.
