Motor de carga estratificada

Un motor de carga estratificada describe un tipo específico de motor de combustión interna , generalmente de encendido por chispa (SI), que se utiliza en camiones, automóviles y equipos portátiles y estacionarios. El término "carga estratificada" se refiere a los fluidos de trabajo y los vapores de combustible que ingresan al cilindro. Normalmente, el combustible se inyecta en el cilindro o ingresa como vapor rico en combustible, donde se utiliza una chispa u otro medio para iniciar la ignición . Esta zona rica en combustible interactúa con el aire para promover una combustión completa. Una carga estratificada permite 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 (de 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 del punto máximo 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 consumo de combustible mediante una mezcla mucho más pobre (menos combustible o más aire) con una carga homogénea resulta en una combustión más lenta y una temperatura más alta del motor; esto afecta la potencia y las emisiones, aumentando notablemente los óxidos de nitrógeno o NO _x .

En términos sencillos, un motor de carga estratificada crea una mezcla de combustible más rica cerca de la bujía 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 permite al motor utilizar una mezcla más pobre, mejorando así la eficiencia y asegurando una combustión completa.

Las desventajas incluyen:

• Aumento del coste y la complejidad del inyector.
• Requisitos de mayor presión de combustible
• Aumento de la formación de NO _x , debido a la presencia de zonas extremadamente pobres en combustible y altas temperaturas localizadas. Estas zonas no suelen estar presentes en un motor de gasolina, ya que la mezcla de aire y combustible es más eficiente.

La combustión puede ser problemática si la mezcla es pobre en la bujía. Sin embargo, al alimentar directamente un motor de gasolina, se dirige más combustible a la bujía que a otras partes 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 forma controlada (y potencialmente bastante compleja) en todo el volumen del cilindro.

La estratificación de la carga también puede lograrse en ausencia de estratificación dentro del cilindro: la mezcla de admisión puede ser tan pobre que la energía limitada que proporciona una bujía convencional no puede encenderla. Sin embargo, esta mezcla excepcionalmente pobre puede encenderse utilizando una mezcla convencional de 12-15:1, en el caso de un motor de gasolina, que se introduce en una pequeña cámara de combustión adyacente y conectada a la cámara principal de mezcla pobre. El amplio frente de llama de esta mezcla en combustión es suficiente para quemar la carga. Como se puede observar en este método de estratificación de la carga, la mezcla pobre se quema y el motor que utiliza esta forma de estratificación ya no sufre detonación ni combustión incontrolada. Por lo tanto, el combustible que se quema en la carga pobre no está limitado por la detonación ni por el octanaje. Este tipo de estratificación puede, por consiguiente, utilizar una amplia variedad de combustibles; la energía específica de salida depende únicamente del poder calorífico del combustible.

Mediante inyectores multiorificio, se dirige una mezcla aire/combustible relativamente rica a la bujía. Esta mezcla se enciende, generando un frente de llama fuerte, uniforme y predecible. Esto, a su vez, resulta en una combustión de alta calidad de la mezcla, mucho más pobre, presente en el resto del cilindro.

Tanto los motores de encendido por compresión (CI) (diésel) como los motores de carga estratificada utilizan una llama de difusión para crear puntos calientes locales que promueven la combustión completa y minimizan los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono , reduciendo el consumo de combustible y manteniendo la eficiencia ^{[ 2 ]} . Esto a menudo también aumenta el NOx y las partículas , desequilibrando las emisiones, lo que provoca que un convertidor catalítico de tres vías no funcione bien; por lo tanto, los diésel utilizan recirculación de gases de escape y filtros de partículas. Las diferencias más visibles entre los motores CI y los de carga estratificada radican en la geometría de la culata. Mientras que un motor diésel tiene su inyector en el centro para inducir turbulencia y reducir la humectación de la pared, un motor de carga estratificada tiene un inyector a un lado, con una bujía en el centro, que en algunos casos de motores estratificados, puede inyectar combustible a través de la bujía, para enriquecer el área inmediatamente alrededor de la bujía, emulando el gradiente rico-pobre presente en los motores diésel ^{[ 3 ]} . Por lo general, los motores de carga estratificada se utilizan para imitar las ventajas de rendimiento de los motores de encendido por compresión en motores de encendido por chispa más económicos, principalmente para combustibles alternativos.

Vale la pena comparar los motores de gasolina de inyección directa y encendido por chispa actuales con los motores diésel de encendido por compresión y de inyección directa . La gasolina tiene una mayor velocidad de propagación de la llama y, por lo tanto, se quema más rápido que el diésel , lo que permite mayores velocidades máximas del motor y, por consiguiente, mayor potencia máxima para motores deportivos. Cuando el combustible se mezcla uniformemente con el aire al iniciarse la ignición, se produce una llama premezclada, que generalmente es mucho más rápida que la llama de difusión presente en los motores de encendido por compresión. El diésel, al ser menos volátil y tener una mayor densidad energética , permite mayores presiones de combustión, lo que significa que puede utilizar relaciones de compresión más altas para lograr mayor par motor y una mayor eficiencia termodinámica en comparación.

El principio de inyectar combustible directamente en la cámara de combustión en el momento preciso en que se requiere que comience la combustión fue inventado por George Brayton en 1887, pero se ha utilizado con éxito en motores de gasolina desde hace mucho tiempo. Brayton describe su invención de la siguiente manera: «He descubierto que los aceites pesados ​​pueden convertirse mecánicamente en una mezcla finamente dividida dentro de una sección de combustión del cilindro, o en una cámara de combustión comunicante». Otra parte dice: «Por primera vez, hasta donde sé, he regulado la velocidad controlando de forma variable la descarga directa de combustible líquido en la cámara de combustión o el cilindro, en una mezcla finamente dividida 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 mediante la cantidad de combustible inyectado.

SAE International ha publicado artículos sobre trabajos experimentales con motores de carga estratificada. ^{[ 5 ]}

La inyección estratificada 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, creando así una carga estratificada. La tecnología de inyección directa TFSI aumenta el par motor y la potencia de los motores de encendido por chispa , los hace hasta un 15 % más económicos y reduce las emisiones de escape. ^{[ 6 ]}

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