Motor de carga estratificada - Stratified charge engine
Un motor de carga estratificada describe un cierto tipo de motor de combustión interna , generalmente motor de encendido por chispa (SI) que se puede utilizar en camiones, automóviles , equipos portátiles y estacionarios. El término "carga estratificada" se refiere a los fluidos de trabajo y los vapores de combustible que ingresan al cilindro. Por lo general, el combustible se inyecta en el cilindro o ingresa como un vapor rico en combustible donde se usa una chispa u otros medios para iniciar la ignición donde la zona rica en combustible interactúa con el aire para promover la combustión completa. Una carga estratificada puede permitir relaciones de compresión ligeramente más altas sin " detonación " y una relación aire / combustible más pobre que en los motores de combustión interna convencionales.
Convencionalmente, un motor de ciclo Otto de cuatro tiempos (gasolina o gasolina) se alimenta introduciendo una mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión durante la carrera de admisión. Esto produce una carga homogénea: una mezcla homogénea de aire y combustible, que se enciende mediante una bujía en un momento predeterminado cerca de la parte superior de la carrera de compresión .
En un sistema de carga homogéneo, la relación aire / combustible se mantiene muy cerca de la estequiométrica , lo que significa que contiene la cantidad exacta de aire necesaria para la combustión completa del combustible. Esto proporciona una combustión estable, pero impone un límite superior a la eficiencia del motor: cualquier intento de mejorar la economía de combustible haciendo funcionar una mezcla mucho más pobre (menos combustible o más aire) con una carga homogénea da como resultado una combustión más lenta y una temperatura del motor más alta; esto impacta en la energía y las emisiones, aumentando notablemente los óxidos de nitrógeno o NO x .
Ventajas
Relación de compresión más alta
Se puede utilizar una relación de compresión mecánica más alta , o una relación de compresión dinámica con inducción forzada , para mejorar la eficiencia termodinámica . Debido a que el combustible no se inyecta en la cámara de combustión hasta justo antes de que se requiera que comience la combustión, hay poco riesgo de preencendido o detonación del motor .
Quemadura más magra
El motor también puede funcionar con una relación de aire / combustible general mucho más reducida , utilizando una carga estratificada, en la que una pequeña carga de una mezcla rica de combustible se enciende primero y se utiliza para mejorar la combustión de una carga más grande de una mezcla de combustible pobre.
Desventajas
Las desventajas incluyen:
- Mayor costo y complejidad del inyector
- Requisitos de presión de combustible más altos
- Acumulación de carbón en la parte posterior de la válvula de admisión debido a la falta de gasolina que pasa por la válvula de admisión para actuar como un agente de limpieza para la válvula en los diseños tradicionales de inyección de múltiples puertos
- Aumento de la formación de NO x , debido a la presencia de zonas extremadamente magras. Estas zonas no suelen estar presentes en un motor de gasolina, porque el aire y el combustible se mezclan mejor.
Manejo de combustión
La combustión puede ser problemática si hay una mezcla pobre en la bujía. Sin embargo, alimentar un motor de gasolina directamente permite que se dirija más combustible hacia la bujía que hacia cualquier otro lugar de la cámara de combustión. Esto da como resultado una carga estratificada: una en la que la relación aire / combustible no es homogénea en toda la cámara de combustión, sino que varía de forma controlada (y potencialmente bastante compleja) a lo largo del volumen del cilindro.
La estratificación de la carga también se puede lograr cuando no hay una estratificación "en el cilindro": la mezcla de entrada puede ser tan pobre que no pueda encenderse con la energía limitada proporcionada por una bujía convencional. Sin embargo, esta mezcla excepcionalmente pobre se puede encender mediante el uso de una mezcla convencional de fuerza de 12-15: 1, en el caso de un motor de gasolina, que se alimenta a una pequeña cámara de combustión adyacente y conectada a la mezcla pobre principal. cámara de mezcla. El gran frente de llama de esta mezcla ardiente es suficiente para quemar la carga. Puede verse en este método de estratificación de carga que la carga pobre se 'quema' y el motor que utiliza esta forma de estratificación ya no está sujeto a 'detonación' o combustión incontrolada. El combustible que se quema en la carga pobre, por lo tanto, no tiene restricciones de octanaje o "detonación". Por tanto, este tipo de estratificación puede utilizar una amplia variedad de combustibles; la producción de energía específica depende únicamente del poder calorífico del combustible.
Una mezcla de aire / combustible relativamente rica se dirige a la bujía mediante inyectores de orificios múltiples. Esta mezcla se enciende, dando un frente de llama fuerte, uniforme y predecible. Esto, a su vez, da como resultado una combustión de alta calidad de la mezcla mucho más débil en otras partes del cilindro.
Comparación con motor diesel
Vale la pena comparar los motores de gasolina actuales de combustión directa con los motores diésel de inyección directa . La gasolina puede quemarse más rápido que el combustible diesel , lo que permite velocidades máximas del motor más altas y, por lo tanto, una mayor potencia máxima para motores deportivos. El combustible diesel, por otro lado, tiene una densidad de energía más alta y, en combinación con presiones de combustión más altas, puede proporcionar un par muy fuerte y una alta eficiencia termodinámica para vehículos de carretera más "normales".
Esta comparación de las tasas de "quemado" es una visión bastante simplista. Aunque los motores de gasolina y diésel parecen funcionar de manera similar, los dos tipos funcionan con principios completamente diferentes. En ediciones fabricadas anteriormente, las características externas eran obvias. La mayoría de los motores de gasolina estaban carburados, aspirando la mezcla de aire / combustible al motor, mientras que el diésel solo aspiraba aire y el combustible se inyectaba directamente a alta presión en el cilindro. En el motor de gasolina de cuatro tiempos convencional, la bujía comienza a encender la mezcla en el cilindro hasta cuarenta grados antes del punto muerto superior mientras el pistón todavía se desplaza hacia arriba por el orificio. Dentro de este movimiento del pistón hacia arriba del orificio, tiene lugar la combustión controlada de la mezcla y la presión máxima se produce justo después del punto muerto superior, disminuyendo la presión a medida que el pistón desciende por el orificio. es decir, el volumen del cilindro en relación con la generación de presión-tiempo del cilindro permanece esencialmente constante durante el ciclo de combustión. La operación del motor diesel, por otro lado, inhala y comprime aire solo por el movimiento del pistón que se mueve hacia el punto muerto superior. En este punto se ha alcanzado la presión máxima del cilindro. El combustible se inyecta ahora en el cilindro y el combustible se "quema" o la expansión se inicia en este punto por la alta temperatura del aire, ahora comprimido. A medida que el combustible se quema, se expande ejerciendo presión sobre el pistón, que a su vez desarrolla un par en el cigüeñal. Se puede ver que el motor diesel funciona a presión constante. A medida que el gas se expande, el pistón también se mueve hacia abajo del cilindro. Mediante este proceso, el pistón y, posteriormente, la manivela experimentan un par mayor, que también se ejerce durante un intervalo de tiempo más largo que su equivalente de gasolina.
Historia
El principio de inyectar combustible directamente en la cámara de combustión en el momento en que se requiere que comience la combustión fue inventado por primera vez por George Brayton en 1887, pero se ha utilizado con buenos resultados en los motores de gasolina durante mucho tiempo. Brayton describe su invención de la siguiente manera: "He descubierto que los petróleos pesados se pueden convertir mecánicamente en una condición finamente dividida dentro de una parte de combustión del cilindro o en una cámara de combustión comunicada". Otra parte dice: "Tengo por primera vez, hasta donde alcanza mi conocimiento, la velocidad regulada controlando de forma variable la descarga directa de combustible líquido en la cámara de combustión o cilindro en una condición finamente dividida altamente favorable para la combustión inmediata". Este fue el primer motor en utilizar un sistema de mezcla pobre para regular la velocidad / potencia del motor. De esta manera, el motor encendía en cada carrera de potencia y la velocidad / salida se controlaba únicamente por la cantidad de combustible inyectado.
Ricardo
Harry Ricardo comenzó a trabajar con la idea de un motor de "carga estratificada" de mezcla pobre a principios del siglo XX. En la década de 1920 hizo mejoras en sus diseños anteriores.
Hesselman
Un ejemplo temprano de inyección directa de gasolina fue el motor Hesselman inventado por el ingeniero sueco Jonas Hesselman en 1925. Los motores Hesselman utilizaron el principio de combustión ultra pobre e inyectaron el combustible al final de la carrera de compresión y luego lo encendieron con una bujía. a menudo comenzaba con gasolina y luego pasaba a funcionar con diesel o queroseno. El sistema de combustión controlada de Texaco (TCCS) era un sistema de combustibles múltiples desarrollado en la década de 1950 que se parecía mucho al diseño de Hesselman. El TCCS se probó en camionetas de reparto de UPS y se encontró que tenía un aumento general en la economía de alrededor del 35%.
Honda
El motor CVCC de Honda , lanzado a principios de la década de 1970 en los modelos Civic , luego Accord y City más tarde en la década, es una forma de motor de carga estratificada que tuvo una amplia aceptación en el mercado durante un tiempo considerable. El sistema CVCC tenía válvulas de admisión y escape convencionales y una tercera válvula de admisión suplementaria que cargaba un área alrededor de la bujía. La bujía y la entrada del CVCC se aislaron del cilindro principal mediante una placa de metal perforada. En el momento del encendido, una serie de frentes de llama se dispararon hacia la carga principal muy pobre, a través de las perforaciones, lo que garantiza un encendido completo. En el Honda City Turbo, estos motores producían una alta relación potencia / peso a velocidades de motor de 7.000 rpm y superiores.
Jaguar
En la década de 1980, Jaguar Cars desarrolló el motor Jaguar V12 , versión HE (llamada High Efficiency), que encajaba en los modelos Jaguar XJ 12 y Jaguar XJS y utilizaba un diseño de carga estratificada llamado 'May Fireball' para reducir la carga del motor. consumo de combustible pesado ..
Vespa
El scooter Vespa ET2 tenía un motor de dos tiempos de 50 cc en el que se admitía aire a través del puerto de transferencia y se inyectaba una rica mezcla de combustible en el cilindro cerca de la bujía justo antes del encendido. El sistema de inyección era puramente mecánico, utilizando un cilindro de bombeo temporizado y una válvula de retención.
En su carrera descendente, comprime la mezcla rica a aproximadamente 70 psi, momento en el que la presión ascendente eleva una válvula de asiento cargada por resorte de su asiento y la carga se arroja al cilindro. Allí se apunta al área de la bujía y se enciende. La presión de combustión cierra inmediatamente la válvula de asiento cargada por resorte y de ahí en adelante su ( sic ) solo un proceso de encendido de carga estratificada "regular" con el frente de llama encendiendo esas áreas de mezcla pobre en el cilindro.
Volkswagen
Volkswagen utiliza actualmente carga estratificada en sus motores de gasolina TFSI ( inyección estratificada de combustible turbo ) de inyección directa de 1,2, 1,4, 1,5, 1,8 y 2,0 litros , en combinación con turbocompresor .
Mercedes Benz
Mercedes Benz ha estado empleando motores de carga estratificada con su sistema Blue DIRECT.
Con la aplicación de carga estratificada, el 3.0L V-6 continuará empleando inyección directa de combustible, pero los inyectores se han rediseñado para rociar bajo una presión más alta más adelante en la carrera de admisión, justo antes de la compresión, y el combustible está diseñado para llegar en ciertas áreas dentro del cilindro para optimizar la combustión. Esta estrategia genera una mezcla de aire y combustible dentro de la cámara que es mucho más delgada que con un sistema convencional de carga homogénea que llena la cámara de manera más uniforme antes de la combustión.
Investigación
SAE International ha publicado artículos sobre trabajos experimentales con motores de carga estratificada.
Motores TFSI
La inyección estratificada de combustible turbo ( TFSI ) es una marca registrada del Grupo Volkswagen para un tipo de motor de aspiración forzada (" turbo ") donde el combustible se inyecta a presión directamente en la cámara de combustión de tal manera que crea una carga estratificada . La tecnología de inyección directa FSI aumenta el par y la potencia de los motores de encendido por chispa , los hace hasta un 15 por ciento más económicos y reduce las emisiones de escape.
Ventajas
Algunas ventajas de los motores TFSI:
- Mejor distribución de combustible y mejor carga de combustible dentro de la cámara de combustión
- Durante el proceso de inyección, el combustible se evapora, enfriando la cámara del cilindro.
- El efecto de enfriamiento del combustible presurizado permite el uso de un combustible de menor octanaje, lo que genera ahorros de costos para el usuario final.
- Relaciones de compresión más altas, lo que se traduce en más potencia
- Mayor eficiencia de combustión de combustible
- Mayor potencia durante la recogida del vehículo
Desventajas
- Gran aumento del número de partículas de escape emitidas
- El carbón se acumula detrás de las válvulas de admisión. Dado que el combustible se inyecta directamente dentro de la cámara de combustión, nunca tiene la oportunidad de lavar ningún contaminante detrás de las válvulas. Esto da como resultado una acumulación excesiva de carbono con el tiempo, lo que dificulta el rendimiento. Algunos automóviles (como el motor Toyota 2GR-FSE en el Lexus IS ) combinan la inyección directa con la inyección de combustible multipuerto tradicional para mejorar este problema
- Más caro: se requieren bombas de combustible de presión mucho más alta para inyectar el combustible directamente en el cilindro. Esto requiere presiones de combustible de hasta 200 bar, mucho mayor que una configuración de inyección multipuerto tradicional (ver inyección directa )