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Reinventar el motor de gasolina
Un nuevo concepto de motor desarrollado por investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison podría reducir el consumo de combustible en aproximadamente un 30 por ciento en los automóviles y casi un 20 por ciento en los camiones pesados. En los automóviles que funcionan con gasolina, el nuevo diseño agregaría poco al costo del motor. En camiones de servicio pesado, reduciría sustancialmente los costos al eliminar la necesidad de costosos sistemas de postratamiento para reducir las emisiones.
Motor de prueba: Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison utilizaron este motor diésel de servicio pesado Caterpillar para probar un nuevo concepto de combustión de alta eficiencia.
El concepto, que se ha demostrado en motores de prueba, implica mezclar con precisión dos combustibles diferentes en la cámara de combustión, lo que proporciona un mayor control sobre el tiempo y la duración de la combustión. Podría proporcionar una forma de cumplir con las regulaciones de ahorro de combustible sin los motores eléctricos y las baterías más costosos que se encuentran en los vehículos híbridos (aunque para una eficiencia aún mayor, el nuevo diseño podría incorporarse en un vehículo híbrido). El nuevo concepto de motor es posible gracias a la precisa inyección electrónica de combustible y los avances en las simulaciones por computadora. Descubrimos este proceso utilizando un modelo informático avanzado, que nos permitió identificar la receta para una mezcla óptima de los combustibles, dice Rolf Reitz , profesor de ingeniería mecánica en UW-Madison.
El diseño tiene dos versiones, una para reemplazar los motores diesel de servicio pesado y otra, que se dará a conocer este otoño, que reemplazaría a los motores de gasolina convencionales. Ambos utilizan el mismo proceso de combustión que hace que los motores diésel sean significativamente más eficientes que los motores de gasolina: comprimen el combustible y el aire hasta que alcanza presiones y temperaturas que hacen que se encienda, en lugar de usar una chispa para encender el combustible. El nuevo diseño mejora la eficiencia del motor más allá de la de los motores diesel al reducir la cantidad de energía desperdiciada en forma de calor y al mejorar el control sobre el tiempo de combustión. También reduce en gran medida las emisiones asociadas con los motores diesel, particularmente importante ahora que las nuevas regulaciones de emisiones requieren que los fabricantes de automóviles empleen costosos sistemas de postratamiento.
En la versión diseñada para reemplazar los motores diesel de servicio pesado, la gasolina de un tanque de combustible se inyecta en el puerto de admisión cerca de la cámara de combustión, donde se mezcla con el aire antes de pasar a la cámara (esta es la forma convencional de inyección de combustible en los vehículos de gasolina). ). Luego, el combustible diesel de otro tanque se inyecta directamente en la cámara usando un inyector de combustible de baja presión. A medida que esta mezcla se comprime, el diesel se enciende primero, seguido en breve por la gasolina, que es más resistente a la combustión. El control de la proporción de los dos combustibles determina tanto el momento de la combustión como su duración. El diseño requiere un control preciso sobre la inyección de combustible, ya que la relación y la distribución de los dos combustibles en la cámara deben cambiar dependiendo de la carga colocada en el motor. Con cargas ligeras, la mezcla es de aproximadamente 50-50, mientras que las cargas más pesadas pueden necesitar tan solo un 5 por ciento de diésel. El motor resultante tiene una eficiencia de aproximadamente un 55 por ciento, en comparación con un 40 a 45 por ciento de eficiencia para los motores diésel convencionales de servicio pesado. Las emisiones son lo suficientemente bajas como para eliminar la necesidad de sistemas de postratamiento para los sistemas de escape que, en un camión de servicio pesado, pueden costar tanto como el motor mismo.
En la versión diseñada para reemplazar los motores de gasolina convencionales, el combustible diesel se reemplaza con gasolina que se mezcla con un aditivo para hacerlo más reactivo, mejorando el encendido del combustible. En lugar de tener dos tanques de combustible, el automóvil solo necesita un tanque de gasolina y un pequeño depósito del tamaño de una botella de líquido limpiacristales para contener el aditivo. El inyector de puerto inyecta gas ordinario y el gas mezclado con el aditivo se inyecta directamente en la cámara. El resultado es un motor que tiene una eficiencia del 45 por ciento, en comparación con aproximadamente un 30 por ciento de eficiencia para los motores de gasolina convencionales.
En ambos sistemas, el enfoque reduce la presión y la temperatura del motor, lo que reduce la formación de smog y otros contaminantes peligrosos. Las temperaturas más bajas también reducen la cantidad de energía que se pierde en calor, lo que la hace disponible para impulsar el pistón. Extendemos el evento de combustión durante un período de tiempo controlado para obtener una liberación de calor suave que no conduce a un aumento violento de la presión y altas temperaturas en la cámara de combustión, dice Reitz.
Robert Dibble , profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de California en Berkeley, dice que el nuevo diseño es una idea inteligente. Él dice que el diseño de dos combustibles podría ser difícil de lograr que los fabricantes de automóviles y los consumidores lo adopten, pero señala que los sistemas actuales de postratamiento de diésel ya requieren que los conductores agreguen un líquido de tratamiento de escape por separado al repostar, por lo que esta barrera puede ser más baja ahora. La versión del nuevo diseño que usa un aditivo de gasolina solo requeriría rellenar el aditivo cada cambio de aceite, dice Reitz, lo que reduce las molestias.
Dibble dice que otro investigador está adoptando un enfoque similar para mejorar la eficiencia del motor, pero su enfoque usa solo un combustible. Bengt Johansson , jefe de la división de motores de combustión de la Universidad de Lund en Suecia, ha demostrado una alta eficiencia y bajas emisiones al controlar el tiempo y la duración de la combustión con múltiples inyecciones de combustible. Pero a diferencia del método UW-Madison, que utiliza combustibles con diferentes propiedades de combustión, el enfoque de Johansson controla la combustión creando regiones dentro de la cámara de combustión con concentraciones variables de combustible y aire. Una posible desventaja es que, debido a los altos niveles de compresión utilizados, se requiere un motor más caro que los utilizados en los coches convencionales de gasolina.