El increíble motor de contracción

El siguiente artículo aparece en la edición de marzo / abril de 2007 de Revisión de tecnología.

En el Sloan Automotive Laboratory del MIT, Daniel Cohn (en la foto de arriba) está detrás de un motor equipado con instrumentos de prueba (en amarillo) y un sistema de inyección que rocía combustible directamente en las cámaras de combustión del motor.

Para Daniel Cohn, científico investigador senior del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT, el motor de combustión interna centenario sigue siendo una fuente de inspiración. Mientras pasa junto a la maquinaria y el equipo de prueba en el Laboratorio Automotriz Sloan del MIT, su comportamiento generalmente reservado desaparece. Un motor de este tamaño, dice, señalando un motor de gasolina mediano de 2.4 litros de apariencia ordinaria, sería un cohete con nuestra tecnología.

Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 2007

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A modo de explicar esa tecnología, muestra un turbocompresor que se podría atornillar al motor de 2.4 litros; el motor, agrega, usa inyección directa de combustible en lugar de la inyección en el puerto que se encuentra actualmente en la mayoría de los automóviles. Tanto la turbocompresión como la inyección directa son tecnologías preexistentes y ninguna de ellas parece particularmente impresionante. De hecho, si se utilizaran por separado, solo producirían mejoras marginales en el rendimiento de un motor de combustión interna. Pero al combinarlos y aumentarlos con una forma novedosa de usar una pequeña cantidad de etanol, Cohn y sus colegas han creado un diseño que creen que podría triplicar la potencia de un motor de prueba, un avance que podría permitir a los fabricantes de automóviles convertir motores pequeños. diseñado para autos económicos en motores musculosos con potencia más que suficiente para SUV o autos deportivos. Al obtener un mejor rendimiento de motores más pequeños y eficientes, la tecnología podría conducir a vehículos cuya economía de combustible compita con la de los híbridos, que utilizan tanto un motor eléctrico como un motor de gasolina. Y esa eficiencia de combustible podría tener una fracción del costo.

Cohn dice que sus colegas, Leslie Bromberg, investigadora principal del Plasma Science and Fusion Center, y John Heywood, profesor de ingeniería mecánica y director del Sloan Auto Lab, consideraron muchas formas de hacer que los motores de combustión interna sean más eficientes. Y luego, después de mucha discusión, un día nos golpeó, recuerda Cohn. La clave del sistema de los investigadores del MIT, explica, fue superar un problema llamado detonación, que ha limitado severamente los esfuerzos para aumentar el par y la potencia del motor.

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• Vea una demostración del nuevo diseño de motor construido por Daniel Cohn.

En los motores de gas, un pistón se mueve hacia un cilindro, comprimiendo una mezcla de aire y combustible que luego se enciende con una chispa. La explosión hace que el pistón vuelva a salir. Una forma de obtener más potencia de un motor es diseñar el pistón para viajar más lejos con cada carrera. Cuanto más viaja, más comprime la mezcla de aire y combustible y más energía mecánica obtiene de la explosión a medida que retrocede. En general, una mayor compresión conducirá a un motor más eficiente y más potencia por carrera. Pero aumentar demasiado la presión hace que el combustible se caliente y explote independientemente de la chispa, lo que provoca un encendido mal sincronizado. Eso es golpe y puede dañar el motor.

Para evitar golpes, los diseñadores de motores deben limitar la medida en que el pistón comprime el combustible y el aire en el cilindro. También tienen que limitar el uso de turbocompresor, en el que una turbina impulsada por gases de escape comprime el aire antes de que ingrese a la cámara de combustión, aumentando la cantidad de oxígeno en la cámara para que se pueda quemar más combustible por carrera. Encender el turbocompresor de un automóvil proporcionará un impulso adicional cuando el automóvil esté acelerando o subiendo colinas. Pero demasiada turbocompresión, como demasiada compresión, provoca un golpe.

Una forma alternativa de evitar los golpes es utilizar un combustible que no sea gasolina; aunque la gasolina acumula una gran cantidad de energía en un volumen pequeño, otros combustibles, como el etanol, resisten mejor los golpes. Pero un vehículo que usa etanol recorre menos millas por galón que uno que usa gasolina, porque su combustible tiene una densidad de energía más baja. Cohn y sus colegas dicen que han encontrado una manera de usar ambos combustibles que aprovecha las fortalezas de cada uno y evita sus debilidades.

Los investigadores del MIT se centraron en una propiedad clave del etanol: cuando se vaporiza, tiene un efecto refrescante pronunciado, muy parecido al alcohol para frotar que se evapora de la piel. El aumento de la turbocompresión y la compresión del cilindro elevan la temperatura en el cilindro, por lo que provocan golpes. Pero Cohn y sus colegas descubrieron que si se introduce etanol en la cámara de combustión en el momento justo mediante la tecnología relativamente nueva de inyección directa, se mantiene baja la temperatura y se evita la combustión espontánea. Se habían probado enfoques similares, algunos de los cuales usaban agua para enfriar el cilindro. Pero la combinación de inyección directa y etanol, dice Cohn, tuvo resultados mucho más dramáticos.

Los investigadores idearon un sistema en el que se inyectaría gasolina en la cámara de combustión por medios convencionales. El etanol se almacenaría en su propio tanque o compartimento y se introduciría mediante un sistema de inyección directa independiente. El etanol tendría que reponerse solo una vez cada pocos meses, aproximadamente con la frecuencia con la que se cambia el aceite. Un vehículo que utilizara este enfoque funcionaría alrededor de un 25 por ciento más eficientemente que un vehículo con un motor convencional.

Un turbocompresor y un sistema de inyección directa aumentarían el costo de un motor, al igual que el fortalecimiento de sus paredes para permitir un mayor nivel de turbocompresor. Sin embargo, los costos de equipo adicionales se compensarían parcialmente con la reducción de los gastos de fabricación de un motor más pequeño. En total, un motor equipado con la nueva tecnología costaría entre $ 1,000 y $ 1,500 más que un motor convencional. Los sistemas híbridos, que son costosos porque requieren tanto un motor de combustión interna como un motor eléctrico alimentado por baterías, agregan $ 3,000 a $ 5,000 al costo de un vehículo pequeño a mediano, e incluso más al costo de un vehículo más grande.

Cuando el grupo MIT ideó por primera vez su idea, Bromberg creó un modelo informático detallado para estimar el efecto del uso de etanol para permitir más turbocompresores y compresión de cilindros. El modelo mostró que la técnica podría aumentar en gran medida el par y la potencia del motor sin golpes. Las pruebas posteriores de Ford han mostrado resultados consistentes con las predicciones del modelo de computadora del MIT. Y dado que el nuevo sistema requeriría modificaciones relativamente menores a las tecnologías existentes, podría estar listo pronto. Ethanol Boosting Systems, una empresa que los investigadores han iniciado en Cambridge, MA, está trabajando para comercializar la tecnología. Cohn dice que con un programa de desarrollo agresivo, el diseño podría estar en vehículos de producción a partir de 2011.

Si bien Cohn aplaude los beneficios de los híbridos y dice que su tecnología también podría usarse para mejorarlos, señala que la popularidad de la tecnología híbrida todavía está limitada por su costo. Sugiere que la tecnología más barata se adoptará más rápidamente y, por lo tanto, reducirá el consumo de gasolina más rápidamente. Es mucho más útil, dice, tener un motor que comprará mucha gente.

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