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T茅cnica: Ignici贸n por compresi贸n de mezcla empobrecida (HCCI)

Tras la inyecci贸n directa, los turbocompresores y los intercoolers, el siguiente paso ser谩 utilizar la compresi贸n de la gasolina, y no la chispa proporcionada por una buj铆a, para provocar la ignici贸n de la gasolina en la c谩mara de combusti贸n. 脡ste es un tema que hemos visitado un par de veces en el pasado, pero que hoy, analizaremos en detalle. Es uno de los 煤ltimos movimientos del motor de combusti贸n interna antes de pasar el testigo definitivamente a otras tecnolog铆as.

Para explicaros c贸mo funciona la ignici贸n sin buj铆a, repasaremos primero con rapidez la etapa de combusti贸n en el ciclo Otto, en el que la mezcla se prende gracias a las buj铆as:


De los cuatro tiempos en los que se divide el ciclo Otto: admisi贸n, compresi贸n, explosi贸n y escape, s贸lo el de explosi贸n aplica聽fuerza (energ铆a cin茅tica) a la rotaci贸n del cig眉e帽al. Fuerza que, a su vez, es «almacenada» en el volante motor, al que se conecta la caja de cambios a trav茅s del embrague.

En un motor de gasolina convencional, la fase de explosi贸n sucede tras la compresi贸n, cuando el pist贸n 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 cuesti贸n para que la buj铆a produzca una chispa que incendie la mezcla, produciendo un frente de llama que consume la misma, empujando el pist贸n 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 m谩s potencia.

Con los a帽os, esta premisa b谩sica se ha ido complicando gracias a los avances t茅cnicos. A vista de p谩jaro, puede parecer que los 煤nicos cambios han sido pasar de la carburaci贸n a la inyecci贸n indirecta, y de la inyecci贸n indirecta a la directa. Pero en la realidad, ha habido much铆simos avances m谩s peque帽os de los que no se suele hablar tanto, como mejoras en el dise帽o de la c谩mara de combusti贸n, mejoras en los materiales utilizados que facilitan la disipaci贸n de calor, o mejoras en c贸mo se inyecta el chorro de gasolina en el cilindro (una mezcla m谩s homog茅nea facilita un avance consistente del frente de llama), entre muchos otros.


驴Cu谩les son los l铆mites a los que nos estamos enfrentando?

La mayor铆a de fabricantes, siguiendo la moda del downsizing, han abogado por abandonar los motores atmosf茅ricos y optar por los turbocompresores, que aumentan la eficiencia de los motores al introducir aire comprimido en la c谩mara de combusti贸n: al haber m谩s aire, se puede quemar m谩s gasolina, y obtener m谩s fuerza en la fase de explosi贸n. Pero al coger la mezcla de aire y gasolina mayor presi贸n dentro de la c谩mara de combusti贸n, aumenta la temperatura a la que se ve sometida la mezcla dentro de la c谩mara, elevando las posibilidades de que la mezcla autodetone por s铆 sola, antes de que el frente de llama producido por la ignici贸n de la buj铆a la consuma; es por esto por lo que la relaci贸n de compresi贸n en motores turbo es relativamente baja, para protegernos de la autodetonaci贸n.

Recordemos que la autodetonaci贸n, o picado de biela, no es una detonaci贸n prematura de la mezcla de gasolina antes de que el pist贸n llegue al punto medio superior, sino una segunda o tercera detonaci贸n, tras la ignici贸n de la mezcla por parte de la buj铆a. A medida que el frente de llama avanza consumiendo la mezcla, la presi贸n y temperatura en la mezcla de aire y gasolina sin consumir asciende, y si el frente de llama no llega a tiempo, 茅sta puede autodetonarse, ocasionando que el nuevo frente de llama alcance las paredes del cilindro (cosa que no ocurre en una ignici贸n controlada), pudiendo romper tambi茅n la capa de protecci贸n t茅rmica que impide a la mezcla ardiente fundir el metal del pist贸n y la junta de la culata. Por el contrario, cuando la mezcla arde de forma prematura, antes de que termine la carrera de compresi贸n y la buj铆a produzca su descarga, hablamos de preignici贸n, y no de autodetonaci贸n.


El mayor octanaje de la gasolina previene la autodetonaci贸n, ya que ofrece m谩s resistencia a arder de forma no controlada. Con bajos octanajes hay que utilizar relaciones de compresi贸n bajas, motivo por el cual los motores antiguos daban potencias espec铆ficas tan bajas

Cuando la ignici贸n es iniciada por una buj铆a, la combusti贸n se centra en el 谩rea de la c谩mara 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 estequiom茅trica. Las altas temperaturas con las que se produce la deflagraci贸n dentro del cilindro favorecen no s贸lo la aparici贸n de 贸xidos de nitr贸geno (NOx), que contribuyen a la contaminaci贸n de nuestro aire y que aumentan las probabilidades de lluvia 谩cida, sino tambi茅n de las (espero) ya famosas micropart铆culas de holl铆n, tan peque帽as que las podemos respirar y que, tras depositarse en nuestros pulmones, pueden causarnos c谩ncer.

Entra en escena la combusti贸n por compresi贸n de聽mezcla pobre

Quiz谩s os suene m谩s por sus siglas en ingl茅s, HCCI, o Homogeneous Charged Compression Ignition. La idea b谩sica consiste en conseguir una relaci贸n de compresi贸n mas alta a trav茅s de una autodetonaci贸n controlada de la mezcla aire-gasolina en la c谩mara de combusti贸n, sin el uso de una buj铆a.

驴C贸mo?

El primer problema que afrontan los fabricantes es la palabra 鈥渉omog茅nea鈥 dentro de la sopa de letras que son las siglas HCCI, porque el c贸ctel aire-gasolina ha de estar bien mezclado para que la combusti贸n sea eficaz y no deje restos. En el caso de la ignici贸n por buj铆a, una buena mezcla tambi茅n es importante, pero al estar la ignici贸n concentrada en el 谩rea m谩s cercana a la buj铆a, cobra menos importancia.


Si hemos logrado una mezcla perfectamente homog茅nea de aire y gasolina, cuando finalice la carrera de compresi贸n, la presi贸n y temperatura dentro de la c谩mara de combusti贸n provocar谩 que se produzca una ignici贸n en diversos puntos de la mezcla, consumi茅ndola de forma completa y uniforme, sin dejar restos. Debido a que la combusti贸n se ha producido de forma homog茅nea y simult谩nea, no se produce un frente de llama a una alt铆sima temperatura, como s铆 ocurre en el caso de combusti贸n por buj铆a.

驴En qu茅 se traduce esto? Pues en que la combusti贸n por ignici贸n de mezcla pobre llega a ser, en algunos casos, hasta 500 潞C m谩s fr铆a que la combusti贸n por chispa, no llegando a superar los 1500 潞C. Y como resultado de esta deflagraci贸n menos calor铆fica, no se producen 贸xidos de nitr贸geno durante la fase de explosi贸n. Adem谩s, tampoco se producen las cancer铆genas micropart铆culas de holl铆n, y las emisiones de 贸xidos de carbono tambi茅n se ven reducidas de forma notable. Por si esto fuera poco, se producen menos p茅rdidas energ茅ticas debido a la menor transferencia de calor (hay menos calor que transferir), por lo que se gana eficiencia energ茅tica.

驴De cu谩nta compresi贸n estamos hablando?

Del orden de 18:1, muy alta para un motor de gasolina, los Mazda SKYACTIV-G trabajan a 14:1, la mayor compresi贸n de la industria. Y como estamos a帽adiendo m谩s aire del que se necesita para consumir una parte de gasolina (recordemos que una mezcla estequiom茅trica ideal corresponde a una relaci贸n de 14,7:1), decimos que la mezcla est谩 empobrecida, porque hay m谩s aire del que se puede quemar por cada gota de gasolina. En una mezcla rica sucede lo contrario: hay m谩s gasolina de la que se puede quemar con el aire en contenido el cilindro, por lo que al finalizar la combusti贸n, habr谩 restos de gasolina sin quemar que se quedar谩n o saldr谩n a trav茅s de las v谩lvulas de escape.

驴Por qu茅 no se producen autodetonaciones fuera de control en este caso?

Debido a que la mezcla es homog茅nea y a que la combusti贸n por compresi贸n sucede en diversas partes de la c谩mara de forma simult谩nea, no hay regiones dentro de la c谩mara de combusti贸n con distintos niveles de presi贸n, por lo que no hay peligro de autodetonaci贸n, excepto cuando el motor funciona a plena carga. Por ello, la estrategia de ignici贸n por compresi贸n de mezcla pobre se prev茅 aplicar cuando el motor est谩 en fase de carga baja o parcial, necesitando la combusti贸n por buj铆a en momentos puntuales. Esto significa que los fabricantes de buj铆as a煤n podr谩n ganarse el pan, pero los usuarios con motores de este tipo no necesitar谩n tantos recambios al usarlas mucho menos.

驴C贸mo de nueva es esta idea?

La historia de la automoci贸n es vasta, rica y muy alargada, y aunque no existen muchos precedentes para la ignici贸n por compresi贸n de mezcla pobre, s铆 que hay much铆simos ejemplos pasados en los que los ingenieros tomaron inspiraci贸n de los motores di茅sel para intentar reducir las emisiones de sus motores de gasolina.

En los a帽os 70, Honda introdujo el concepto CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion), cuya premisa copiaba el concepto di茅sel de entonces de combusti贸n en una antec谩mara. Esta t茅cnica permiti贸 a Honda cumplir con las normativas de emisiones, tanto en Jap贸n como en Estados Unidos, durante la d茅cada de los a帽os 70 sin la necesidad del uso de un catalizador o de una v谩lvula de re-circulaci贸n de gases o EGR (Exhaust Gas Recirculation). Adem谩s, este invento permit铆a a Honda continuar utilizando carburadores, al contrario que otros sistemas de empobrecimiento de la mezcla conocidos en aquel momento, que requer铆an costosos sistemas de inyecci贸n.

驴C贸mo lo consiguieron?

Al igual que en la combusti贸n por compresi贸n, la mezcla aire-gasolina contenida en el cilindro era pobre, pero la mezcla en la antec谩mara era rica. Al producirse la ignici贸n, el frente de llama nace en la antec谩mara, y se propaga a trav茅s de peque帽as perforaciones en la placa de metal que separa la antec谩mara 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 mon贸xido de carbono.

General Motors dud贸 de la eficacia de ese sistema y se burl贸 de Honda, diciendo que solo era apto para coches peque帽os. La compa帽铆a japonesa devolvi贸 el golpe comprando un gran coche americano, un 1973 Chevrolet Impala 5.7 V8 lo envi贸 a Jap贸n, se le adapt贸 el sistema CVCC y se mand贸 de vuelta a Estados Unidos para ser homologado. La EPA certific贸 que el sistema del Civic tambi茅n era v谩lido 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, discontinu贸 su uso en 1977, para luego volver a utilizarlo en determinados veh铆culos de la marca Daihatsu. Honda por su parte utilizar铆a esta tecnolog铆a aproximadamente diez a帽os, desde 1975 hasta 1986, hasta que fue abandonada para abrir paso al uso de sistemas de inyecci贸n.

Y鈥 驴algo m谩s reciente que se aplique hoy en d铆a?

Habiendo visto los beneficios en eficiencia energ茅tica que proporciona la tecnolog铆a HCCI, y lo muy adelantados que estaban los de Mercedes en todos los 谩mbitos al entrar en la era V6 Turbo en el Mundial de F贸rmula 1, se especul贸 con que los de Brixworth (no confundir con Brackley, que es donde se fabrican los chasis), empleaban esta t茅cnica en sus motores. Con la incorporaci贸n de MAHLE como patrocinador de Ferrari en el Gran Premio de Canad谩 de 2015, y el uso de fichas o tokens聽de modificaci贸n del motor por parte de los italianos durante esa misma cita, se crey贸 que los de Maranello tambi茅n hab铆an adoptado la ignici贸n por compresi贸n de mezcla pobre.

Sin embargo, estos rumores fueron desmentidos porque la HCCI requerir铆a el uso de sistemas de distribuci贸n variable para poder regresar a la combusti贸n convencional en casos de carga total, y la distribuci贸n variable est谩 prohibida por el reglamento actual. Finalmente, se descubri贸 que en Brixworth y en Maranello est谩n empleando la ignici贸n de chorro de aire con turbulencias, m谩s conocida como TJI o Turbulent Jet Ignition.

Otra raz贸n de peso por la que se crey贸 que Mercedes podr铆a estar empleando HCCI en la F贸rmula 1, es porque llevan a帽os promovi茅ndolo como caracter铆stica de su concepto de motor DiesOtto, el cual, de nuevo, trata de aplicar los mejores conceptos de los motores di茅sel 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 inyecci贸n directa de gasolina, dos turbos de geometr铆a variable, relaci贸n de compresi贸n variable, distribuci贸n variable, y c贸mo no, ignici贸n por compresi贸n de mezcla pobre o HCCI. Seg煤n Mercedes, la relaci贸n de compresi贸n variable es un requisito para poder aprovechar todos los beneficios de la inyecci贸n directa y de los dos turbos en r茅gimen de alta carga de motor cuando no se est谩 empleando la HCCI.

Desde 2014 no hemos vuelto a tener noticias de ellos

Pero no son los 煤nicos con ganas de introducir la t茅cnica HCCI en nuestros motores. General Motors anunci贸 en 2009 el desarrollo de motores de cuatro cilindros con ignici贸n por compresi贸n de mezcla pobre, pero a煤n no han podido aplicarla en motores comerciales. Lo que s铆 han hecho es utilizar los conocimientos derivados de su desarrollo e investigaci贸n 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 est谩 desarrollando su propio motor con HCCI, denominado GDCI o Gasoline Direct Compression Ignition, con la diferencia de que pretenden no utilizar buj铆as en ning煤n caso, ni si quiera cuando el motor est茅 a plena carga. Para evitar la autodetonaci贸n, se comprime una mezcla de aire fr铆o con aire caliente procedente del colector de escape (hasta un 40%), y se retrasa la inyecci贸n de gasolina hasta que el pist贸n llegue al PMS en la carrera de compresi贸n, maximizando as铆 la carrera de explosi贸n.

Pero en quien realmente confiamos para que esta tecnolog铆a llegue al mercado no es otra que en Mazda, porque con su tecnolog铆a SKYACTIV, Mazda ha apostado su futuro por hacer algo diferente (algo muy de Mazda, por supuesto), y es el de oponerse al downsizing聽y concentrarse en perseguir obtener la mayor eficiencia posible en sus motores atmosf茅ricos que, teniendo mayores cilindradas que la competencia, tienen consumos reales mucho m谩s pr贸ximos a los declarados que sus rivales sobrealimentados, el rightsizing.

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

Nosotros ya conocemos la generaci贸n SKYACTIV actual, 驴as铆 que qu茅 nos depara la siguiente? Como ya nos adelant贸 Guille, Mazda espera poder aumentar su relaci贸n de compresi贸n mucho m谩s, utilizando HCCI, mejorando dr谩sticamente los niveles de eficiencia de sus motores.

Pero eso no es todo, porque la ignici贸n por compresi贸n de mezcla pobre tambi茅n puede que llegue a los motores de tipo Wankel, y no s贸lo al motor bautizado como SKYACTIV-R del futuro RX-9 (que esperamos para el 2020), sino tambi茅n en otros motores rotatorios m谩s peque帽os que Mazda pretende emplear como extensores de autonom铆a para cargar las bater铆as de sus veh铆culos el茅ctricos. Y es que adem谩s 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 logar铆tmica).

驴Qu茅 significa esto? Pues que el usuario cuyo veh铆culo posea un extensor de autonom铆a rotatorio no escuchar谩 nada cuando se ponga en marcha

Admito que no es nuestro escenario id铆lico 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 opini贸n.

Conclusiones

Nos podr谩 parecer algo nuevo – robar ideas de los motores di茅sel para mejorar nuestros motores de gasolina – pero la realidad es que los fabricantes llevan a帽os intentando traer las t茅cnicas de los petroleros a nuestros veh铆culos de gasolina. Sirva de ejemplo el hecho de que el downsizing聽tampoco es nuevo; si revisamos esta p谩gina de la revista Popular Mechanics en su edici贸n de Diciembre de 1979, podremos leer c贸mo GM y Chrysler estaban optando por instalar m谩s motores de cuatro y seis cilindros en lugar de sus V8 debido a los requisitos de consumo por parte del gobierno americano, y c贸mo 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 c铆clica…

Dec铆a Steve que 鈥渦n buen artista copia, [pero] los grandes artistas roban鈥. A ver si los motores de gasolina logran robarle la ignici贸n por compresi贸n a los petroleros.

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