Un motor de carga estratificada describe un cierto tipo de motor de combustión interna , generalmente un 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 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 utiliza una chispa u otro medio 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.
Tradicionalmente, un motor de ciclo Otto de cuatro tiempos (gasolina o gasolina) se alimenta mediante la aspiración de 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 homogénea, 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 el ahorro de combustible mediante el uso de 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 afecta la potencia y las emisiones, aumentando notablemente los óxidos de nitrógeno o NO x .
En términos simples, un motor de carga estratificada crea una mezcla más rica de combustible cerca de la chispa y una mezcla más pobre en el resto de la cámara de combustión. La mezcla rica se enciende fácilmente y, a su vez, enciende la mezcla pobre en el resto de la cámara, lo que finalmente permite que el motor use una mezcla más pobre, mejorando así la eficiencia y asegurando una combustión completa.
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, existe poco riesgo de preignición o detonación del motor .
El motor también puede funcionar con una relación aire/combustible mucho más pobre, 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 pobre de combustible.
Las desventajas incluyen:
La combustión puede ser problemática si hay una mezcla pobre en la bujía. Sin embargo, al alimentar un motor de gasolina directamente, se puede dirigir más combustible hacia la bujía que hacia el resto de la cámara de combustión. [1] 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 una manera controlada (y potencialmente bastante compleja) a lo largo del volumen del cilindro.
La estratificación de la carga también se puede lograr cuando no hay estratificación "en el cilindro": la mezcla de entrada puede ser tan pobre que no se puede encender con la energía limitada proporcionada por una bujía convencional. Sin embargo, esta mezcla excepcionalmente pobre se puede encender mediante el uso de una concentración de mezcla convencional de 12-15:1, en el caso de un motor alimentado con gasolina, que se alimenta a una pequeña cámara de combustión adyacente y conectada a la cámara principal de mezcla pobre. El gran frente de llama de esta mezcla en combustión es suficiente para quemar la carga. Se puede ver a partir de este método de estratificación de la carga que la carga pobre se "quema" y el motor que utiliza esta forma de estratificación ya no está sujeto a "detonación" o combustión descontrolada. Por lo tanto, el combustible que se quema en la carga pobre no está "detonante" ni restringido en octanos. Por lo tanto, este tipo de estratificación puede utilizar una amplia variedad de combustibles; la producción de energía específica depende solo del valor calorífico del combustible.
Una mezcla de aire y combustible relativamente rica se dirige a la bujía mediante inyectores de múltiples orificios. Esta mezcla genera una chispa que genera 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 el resto del cilindro.
Vale la pena comparar los motores de gasolina actuales alimentados directamente con los motores diésel de inyección directa . La gasolina puede quemarse más rápido que el combustible diésel , lo que permite velocidades máximas más altas del motor y, por lo tanto, una mayor potencia máxima para los motores deportivos. El combustible diésel, por otro lado, tiene una mayor densidad energética y, en combinación con presiones de combustión más altas, puede ofrecer un par motor muy fuerte y una alta eficiencia termodinámica para vehículos de carretera más "normales".
Esta comparación de las tasas de "combustión" es una visión bastante simplista. Aunque los motores de gasolina y diésel parecen similares en su funcionamiento, los dos tipos funcionan según principios completamente diferentes. En las ediciones anteriores fabricadas, las características externas eran obvias. La mayoría de los motores de gasolina estaban carburados, aspirando la mezcla de combustible y aire hacia el 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 está subiendo por el orificio. Dentro de este movimiento del pistón hacia arriba por el orificio, se produce la combustión controlada de la mezcla y la presión máxima se produce justo después del punto muerto superior, disminuyendo a medida que el pistón se desplaza 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. El funcionamiento del motor diésel, por otro lado, inhala y comprime aire solo mediante 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 en el cilindro y la alta temperatura del aire comprimido provoca la "combustión" o expansión del combustible. A medida que el combustible se quema, se expande y ejerce presión sobre el pistón, que a su vez genera un par en el cigüeñal. Se puede observar que el motor diésel funciona a presión constante. A medida que el gas se expande, el pistón también se mueve hacia abajo en el cilindro. Mediante este proceso, el pistón y, posteriormente, el cigüeñal experimentan un par mayor, que también se ejerce durante un intervalo de tiempo más largo que su equivalente de gasolina.
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 invento de la siguiente manera: "He descubierto que los aceites pesados se pueden convertir mecánicamente en un estado finamente dividido dentro de una porción de encendido del cilindro, o en una cámara de encendido comunicante". Otra parte dice: "Por primera vez, hasta donde alcanza mi conocimiento, he regulado la velocidad controlando de forma variable la descarga directa de combustible líquido en la cámara de combustión o cilindro en un estado finamente dividido altamente favorable para la combustión inmediata". Este fue el primer motor en utilizar un sistema de combustión pobre para regular la velocidad/potencia del motor. De esta manera, el motor se encendía en cada carrera de potencia y la velocidad/potencia se controlaba únicamente por la cantidad de combustible inyectado.
Harry Ricardo comenzó a trabajar con la idea de un motor de combustión pobre de "carga estratificada" a principios del siglo XX. En la década de 1920, realizó mejoras en sus diseños anteriores.
Un ejemplo temprano de inyección directa de gasolina fue el motor Hesselman, inventado por el ingeniero sueco Jonas Hesselman en 1925. Los motores Hesselman utilizaban el principio de combustión ultra pobre e inyectaban el combustible al final de la carrera de compresión y luego lo encendían con una bujía; a menudo se encendía con gasolina y luego se cambiaba para funcionar con diésel o queroseno. El sistema de combustión controlada de Texaco (TCCS) era un sistema multicombustible desarrollado en la década de 1950 que se parecía mucho al diseño de Hesselman. El TCCS se probó en furgonetas de reparto de UPS y se descubrió que tenía un aumento general de la economía de aproximadamente el 35%.
El motor CVCC de Honda , lanzado a principios de los años 70 en los modelos Civic y, más tarde, en el Accord y City , 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 complementaria que cargaba un área alrededor de la bujía. La bujía y la entrada CVCC estaban aisladas del cilindro principal por una placa de metal perforada. En el encendido, una serie de frentes de llama se disparaban hacia la carga principal muy pobre, a través de las perforaciones, lo que garantizaba un encendido completo. En el Honda City Turbo, estos motores producían una alta relación potencia-peso a velocidades del motor de 7000 rpm y superiores.
En la década de 1980, Jaguar Cars desarrolló el motor Jaguar V12 , versión HE (denominada High Efficiency), que se instaló en los modelos Jaguar XJ 12 y Jaguar XJS y utilizó un diseño de carga estratificada llamado 'May Fireball' para reducir el consumo de combustible muy elevado del motor.
El scooter Vespa ET2 tenía un motor de dos tiempos de 50 cc en el que se introducía aire a través del puerto de transferencia y se inyectaba una mezcla rica 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 sincronizado y una válvula antirretorno.
En su carrera descendente, comprime la mezcla rica a aproximadamente 70 psi, momento en el que la presión ascendente levanta una válvula de asiento accionada por resorte y la carga se inyecta en el cilindro. Allí se dirige al área de la bujía y se enciende. La presión de combustión cierra inmediatamente la válvula de asiento accionada por resorte y, a partir de ese momento, se trata simplemente de un proceso de encendido de carga estratificada "normal" con el frente de llama que enciende las áreas de mezcla pobre en el cilindro. [2]
Volkswagen utiliza actualmente carga estratificada en sus motores de gasolina TFSI ( Turbo Fuel Stratified Injection ) de inyección directa de 1.0, 1.2, 1.4, 1.5, 1.8 y 2.0 litros, en combinación con turbocompresor .
Mercedes-Benz utiliza desde hace tiempo motores de carga estratificada con su sistema Blue DIRECT.
Con la aplicación de carga estratificada, el V-6 de 3.0 L seguirá empleando inyección directa de combustible, pero los inyectores se han rediseñado para rociar a mayor presión más adelante en la carrera de admisión, justo antes de la compresión, y el combustible está diseñado para llegar a ciertas áreas dentro del cilindro para optimizar la combustión. Esta estrategia permite obtener una mezcla de aire y combustible dentro de la cámara que es mucho más pobre que con un sistema de carga homogénea convencional que llena la cámara de manera más uniforme antes de la combustión.
SAE International ha publicado artículos sobre trabajos experimentales con motores de carga estratificada. [3]
La inyección directa de combustible turbo ( TFSI ) es una marca registrada del Grupo Volkswagen para un tipo de motor de aspiración forzada (" turbo ") en el que el combustible se inyecta a presión directamente en la cámara de combustión de forma que se 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. [4]
Algunas ventajas de los motores TFSI:
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