Tecnología de combustión de baja temperatura: ¿qué es?

Como sabrás, algunas marcas están volviendo a mirar a sus motorizaciones de gasolina, una vez superada la etapa del contaminante diésel, y por los problemas/precio de los eléctricos. Por tanto, los motores de combustión interna no están muertos, ni mucho menos. Aquí mostraré el concepto de combustión de baja temperatura, una tecnología prometedora que puede aportar mucho al sector.

Recuerda que los ICE no dejan de ser máquinas basadas en los principios de la termodinámica, y por tanto, las variaciones de temperatura son críticas. De ahí este concepto, o el enfriamiento del combustible que hacían algunos equipos de F1 en el pasado para mejorar el rendimiento, pasando por otras muchas «artimañas»…

Necesidad de motores más limpios

Como sabes, la industria del motor está explorando activamente estrategias avanzadas de combustión como es el caso de la combustión a baja temperatura, o también conocida como LTC (Low-Temperature Combustion). Esta tecnología revolucionaria tiene un gran potencial, y por eso nos centraremos en ella, para conseguir el objetivo de motores más limpios y eficientes, y así es como las nuevas regulaciones sobre emisiones quieren que sea.

El dominio de los combustibles fósiles en el sector del transporte ha llevado a un aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación del aire, especialmente con los motores diésel que tanto se fomentaban desde los gobiernos, y ahora se atacan en pos de los de gasolina. Entre los gases más preocupantes están el óxido de nitrógeno, el monóxido de carbono, el dióxido de carbono y también otras partículas que pueden generar problemas de salud importantes.

Si quieres conocer más sobre las emisiones, puedes leer este otro artículo…

La Agencia Internacional de Energía predice que la demanda mundial de energía aumentará significativamente para 2035, acompañada de un posible aumento del 20% en las emisiones de CO2. En el ámbito de los motores, los combustibles alternativos no parecen ser suficientes, ni tampoco los motores híbridos o las caras soluciones eléctricas. Por eso, LTC puede ser tan prometedor para generar motores de gasolina cada vez más potentes, eficientes y con emisiones más bajas.

Combustión a baja temperatura (LTC)

Los motores LTC operan según los principios fundamentales de los motores de cuatro tiempos tradicionales, pero con diferencias clave en el proceso de combustión. A diferencia de los motores diésel (Ciclo Diesel) y de encendido por chispa convencionales o de gasolina (Ciclo Otto), la LTC logra la combustión a temperaturas significativamente más bajas. Este enfoque ofrece varias ventajas:

• Mayor eficiencia térmica: debido a la ausencia de un frente de llama distinto y la combustión volumétrica casi constante, los motores LTC alcanzan una mayor eficiencia térmica en comparación con los motores convencionales. Esto se traduce en una mejor utilización del combustible y una reducción de las emisiones de CO2.
• Emisiones reducidas: las temperaturas de combustión más bajas en los motores LTC minimizan la formación de NOx. Además, la ausencia de una mezcla rica de combustible evita la formación de hollín, reduciendo significativamente las emisiones de PM, es decir, de las partículas en suspensión que también salen por los tubos de escape.
• Flexibilidad de combustible: tienen una mayor tolerancia a los combustibles en comparación con los motores tradicionales. Pueden funcionar con una gama más amplia de combustibles, incluidos la gasolina, el diésel, los biocombustibles y los alcoholes como el etanol. Esta flexibilidad proporciona resistencia a la escasez futura de combustible y permite la integración de combustibles alternativos.

Proceso de combustión LTC

Los motores LTC logran la combustión a través de una serie de pasos o etapas:

1. Preparación de una mezcla diluida de combustible-aire: la recirculación de gases de escape (EGR) juega un papel crucial en el logro de una combustión adecuada en los motores LTC. La EGR diluye el aire entrante con los gases de escape, reduciendo la temperatura máxima de combustión y controlando la velocidad de liberación de calor.
2. Autoencendido en múltiples ubicaciones: a medida que el pistón comprime la mezcla diluida de combustible-aire, alcanza un estado en el que se produce la autoencendido simultáneamente en múltiples puntos dentro del cilindro (puntos calientes). Esto contrasta con los motores convencionales, donde la combustión comienza en un solo punto (bujía en los motores SI o punto de inyección de combustible en los motores diésel).
3. Control preciso de la velocidad de liberación de calor: el control preciso de la velocidad de liberación de calor (HRR) es vital para optimizar la eficiencia y minimizar las emisiones. Varios factores, como la relación de compresión, la temperatura de carga de entrada y la tasa de EGR, influyen en la HRR en los motores LTC.

Por si no lo sabías, HRR son las siglas en inglés de Heat Release Rate. Se refiere a la rapidez con la que se libera la energía térmica cuando el combustible se quema dentro del cilindro. Esto es importante por varios motivos. Por un lado, con un HRR óptimo se aumenta la eficiencia de conversión entre la energía química del combustible y el trabajo mecánico, por otro lado las emisiones bajan al generar un HRR lento, no se favorece tanto la formación de NOx. Y, por último, el par motor, la potencia y las vibraciones del motor también mejoran.

Tipos de LTC

Dentro de esta categoría, existen varias estrategias de combustión que se diferencian en la forma en que se prepara la mezcla de aire y combustible y cómo se inicia la combustión:

• HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition): la mezcla de aire y combustible se prepara de manera homogénea antes de la compresión. La mezcla se autoenciende debido a la compresión, sin necesidad de una chispa. Con ello se consigue una baja formación de NOx y PM, y alta eficiencia térmica, pero es difícil controlar la combustión.
• PCCI (Partially Premixed Compression Ignition): en este caso una parte de la mezcla aire-combustible se premezcla y otra se inyecta directamente en la cámara de combustión. La mezcla premezclada se enciende primero, seguido de la combustión de la porción inyectada directamente. Así se consigue un mejor control de combustión respecto al HCCI.
• RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition): se utilizan dos combustibles con diferentes reactividades. La combustión se controla ajustando la proporción de los dos combustibles, lo que permite modular la velocidad de reacción y el inicio de la combustión. Es decir, por un lado tenemos el combustible de baja reactividad, conocido como LRF (por ejemplo, como puede ser la gasolina o el etanol), y por otro tenemos el combustible de alta reactividad, conocido como HRC (por ejemplo el diésel o biodiésel). Mientras el LRF se inyecta en el colector de admisión o en el puerto de admisión, el HRC se inyecta directamente en la cámara de combustión. Tiene la ventaja de los anteriores, pero es más caro y complejo, ya que hay que manejar dos combustibles y no uno, y controlar la proporción LRF:HRC.

Aunque no hay demasiados detalles, parece que Mazda ha utilizado un tipo de tecnología LTC en sus motores comercializados con la tecnología Skyactiv-X, aunque parece más bien una mezcla de tecnologías conocida como SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition), es decir, un encendido por compresión controlado por chispa y que combina estos dos métodos de encendido para la ignición de una pequeña cantidad de aire-combustible mediante chispa, y el resto de combustible se autoincendia debido a la alta presión y temperatura resultante de la combustión inicial.

Desafíos

Aunque la LTC ofrece un gran potencial para reducir las emisiones y mejorar la eficiencia de los motores de combustión interna, aún existen desafíos que deben abordarse para su implementación a gran escala:

• Estabilidad de la combustión: lograr una combustión estable y controlada en un amplio rango de condiciones de operación sigue siendo un desafío. Factores como la temperatura del aire de admisión, la presión del cilindro y la composición del combustible pueden influir significativamente en la estabilidad de la combustión LTC.
• Control de emisiones de HC y CO: aunque la LTC reduce significativamente las emisiones de NOx y PM con una HRR más lenta, las emisiones de HC y CO pueden ser más altas en comparación con los motores convencionales con HRR más rápida, especialmente en condiciones de carga parcial. Se requieren estrategias de control de emisiones más sofisticadas para abordar este problema.
• Integración con sistemas de pos tratamiento: puede interactuar de manera compleja con los sistemas de pos tratamiento de gases de escape existentes, como los filtros de partículas diésel (DPF) y los catalizadores selectivos de reducción (SCR). Es necesario desarrollar estrategias de control integradas para optimizar el rendimiento de ambos sistemas.
• Coste y complejidad: la implementación de la LTC requiere modificaciones significativas en el diseño del motor y la incorporación de sistemas de control más complejos. Esto puede aumentar los costos de fabricación y mantenimiento de los vehículos.

A pesar de estos desafíos, la investigación en LTC continúa avanzando a un ritmo rápido, con avances recientes en las estrategias de inyección de combustible, nuevos materiales avanzados para mejorar la fiabilidad y eficiencia térmica del motor, el modelado y simulación del proceso LTC para optimizar el diseño, o la IA que también permiten un mejor control de la combustión para el control en futuros motores.

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