El motor adiabático es algo así como el Santo Grial de la termodinámica, un ejercicio teórico pero irrealizable en la realidad, donde los procesos naturales se empeñan en tener pérdidas. Los responsables de Mazda anuncian que la tercera generación de su tecnología Skyactiv está cerca de lograrlo. ¿Será cierto?
Mazda es una empresa que siempre se ha caracterizado por escapar del camino trillado. Ya lo hizo en el pasado apostando por las mecánicas Wankel, de las que obtuvo un gran éxito con la saga RX y logrando ser el único fabricante japonés en alcanzar la victoria en la carrera más importante del mundo, las 24 Horas de Le Mans.
Actualmente también ha decidido seguir su propio camino en el desarrollo de mecánicas cada vez más eficientes y respetuosas con el medio ambiente, y mientras la mayoría de fabricantes apuestan por mecánicas cada vez más pequeñas y sobrealimentadas, el famoso downsizing, Mazda apuesta por lograr el mayor rendimiento de cada gota de combustible, pero sin recurrir a complejos sistemas de sobrealimentación ni mecánicas pequeñas de tres cilindros, cuyo rendimiento es excelente en una franja muy pequeña, ideal para las pruebas de homologación, pero lejos del uso real que tiene el coche.
La actualidad: Mazda Skyactiv
Los Mazda actuales se aprovechan del desarrollo de las tecnologías Skyactiv que han dado como resultado una mecánica más eficiente, manteniendo el tacto y las sensaciones de los motores tradicionales.
Para lograr este aumento en la eficacia, los ingenieros de la firma japonesa han trabajado en varios frentes:
- Reducir los fallos de encendido (miss fires), a medida que se reduce la cantidad de combustible inyectado para reducir el consumo, aumenta la probabilidad de que la mezcla no se inflame.
- Reducir las pérdidas por fricción interna, el roce de los segmentos en las paredes de los cilindros, el arrastre del sistema de distribución, árboles de levas, etc… todo esto supone una importante pérdida de energía.
- Reducir las pérdidas de bombeo, el motor de combustión interna es básicamente una bomba de aire, cuánto más aire seamos capaces de aspirar y expulsar, más rendimiento. Por eso aumentan tanto la potencia los motores sobrealimentados, porque pueden meter aire a presión en los cilindros.
- Reducir las pérdidas en el sistema de escape, los gases de escape tienen una gran cantidad de energía dinámica y calorífica que se pierde por el tubo de escape.
- Reducir las pérdidas por refrigeración, de cada 10 litros de combustible que consumimos, apenas 3 sirven para mover el coche, mientras que casi 5 se pierden en calentar el agua del circuito de refrigeración, simplemente porque el calor que genera la combustión de la gasolina no se aprovecha.
El problema de los fallos de encendido está bastante controlado en la actualidad. Gracias a los modernos simuladores, se ha optimizado mucho la forma de la cabeza del pistón, de forma que se puede aumentar de manera muy optimizada la concentración de combustible y de presión en la zona cercana a la bujía de encendido, al igual que los tiempos de ignición, reduciendo drásticamente los fallos de encendido.
La generación actual de motores Skyactiv reduce significativamente las pérdidas por fricción interna gracias a los modernos tratamientos superficiales, las modernas aleaciones y un buen estudio cinemático de los elementos internos del motor.
Ya tenemos 2 de los principales responsables de las pérdidas de rendimiento acotados por la tecnología Skyactiv, que también soluciona el problema de la capacidad de bombeo de la mecánica aumentando la relación de compresión en el cilindro, logrando reducir de 14 a 1 la proporción entre el volumen de aire aspirado en el cilindro y el concentrado en la zona de la bujía antes de la ignición. Conseguir esta relación de compresión sin que la gasolina se inflame antes de tiempo y lograr que sea estable a esas presiones hasta el momento oportuno es una labor muy compleja que Mazda ha solucionado de forma muy inteligente atacando 3 frentes:
- 1.- Sistema de escape 4-2-1: en lugar de estar comunicados los 4 cilindros por un mismo colector de escape, se separan los cilindros 1 y 4 del 3 y 2. De este modo, el calor que sale por la válvula de escape del cilindro 1 no tiene forma de calentar la cámara de combustión del cilindro 3 en la fase de admisión. Esta reducción de temperatura en el cilindro que no está en la fase de escape permite aumentar la presión en la cámara de combustión sin que haya autoencendido.
- 2.- Optimizando la pulverización del combustible y el momento en el que se realiza la inyección dentro de la cámara de combustión.
- 3.- Concentrando la mayor cantidad de combustible en una zona muy pequeña para que la densidad de la relación aire/gasolina sea lo más rica posible en esa cavidad y de este modo reducir la posibilidad de autoencendido de la mezcla.
Todos estos procesos aumentan el rendimiento y por lo tanto reducen las pérdidas, pero generan un problema, ya que también se reduce la temperatura de los gases de escape, lo que alarga el tiempo que necesita el catalizador para alcanzar la temperatura apropiada como para ser eficiente reduciendo las emisiones contaminantes. Para ello, en las fases de calentamiento del motor se retrasa un poco el encendido, se empobrece más la mezcla y se realizan inyecciones que aumenten la temperatura de los gases de escape y que de este modo el catalizador empiece a ser eficiente lo antes posible.
Al carecer de sobrealimentación, es muy importante optimizar la aerodinámica interna del motor para que el aire fluya de la mejor manera posible y llene al máximo los cilindros sólo con la presión atmosférica y la depresión generada por los pistones. Para lograrlo, los motores Skyactiv cuentan con distribución variable en los árboles de levas de escape y de admisión, de forma que las válvulas abran y cierren en el momento más apropiado para garantizar el mejor llenado y vaciado de los cilindros.
Todo esto está ya presente en los motores de la generación actual de Mazda, que a mayores cuenta con el sistema i-Stop y el i-Eloop que permiten reducir el consumo del motor en las fases en las que no nos estamos moviendo (retenciones, semáforos, etc…) y en las que usamos el freno motor.
El sistema i-Stop permite el encendido más rápido del motor (en sólo 0,35 segundos) gracias a una genialidad, y es que cuando la unidad de mando da la orden de apagado al motor, lo para en una posición concreta gracias a la cooperación del alternador. Esa posición es con los 4 pistones a la mitad de su recorrido, de forma que al dar la orden de arranque, no hay ninguno comprimiendo en ese momento y el motor de arranque es capaz de hacerlo girar con más aceleración desde el primer instante, mejorando la puesta en marcha.
Por su parte, la tecnología i-Eloop incorpora un condensador y un alternador capaz de suministrar hasta 25 votios (que son absorbidos por el condensador para no estropear los componentes del sistema eléctrico del coche que es de 12 V). De este modo, el alternador es capaz de recargar en 6 segundos la energía suficiente para suministrar consumidores como la luneta térmica, elevalunas, etc. Durante 80 segundos. Gracias a ello, la energía que absorbe el alternador del motor se reduce drásticamente en las fases de aceleración y en lugar de quemar gasolina para producir la electricidad necesaria, aprovecha la energía cinética del coche en movimiento cuando levantamos el pie del acelerador.
Toda esta tecnología logra que los Mazda Skyactiv obtengan unas cifras de consumo real mejores que las de mecánicas más pequeñas sobrealimentadas, más eficientes en momentos muy puntuales, pero no en la mayoría de rangos de utilización real.
Mazda Skyactive 2: El motor diésel de gasolina
En un futuro aún sin determinar, pero no muy lejano y desde luego no utópico, Mazda comercializará la segunda generación Skyactiv de gasolina, aumentando aún más la relación de compresión hasta 18:1 y logrando que el motor de gasolina se comporte como los diésel: el encendido de la mezcla se hará en el momento exacto simplemente por la presión y el calor en la cámara de combustión, sin intervención de una chispa.
Es el sueño de los ingenieros desde hace décadas, pero la gasolina es un combustible inestable y por ello es dificilísimo lograr un momento exacto de autoencendido, al contrario del gasóleo, que es infinitamente más predecible.
Afortunadamente la tecnología avanza y cada vez es posible realizar más acciones por parte de los sistemas de inyección, los tiempos de respuesta de los inyectores son menores, la precisión de los sensores mayor, etc. De este modo, Mazda presenta sus motores HCCI (High Charge Compression Ignition, o lo que es lo mismo, encendido por alta carga y compresión).
Inyectando la cantidad ultra precisa de combustible, en el instante justo, con la presión extacta, en el punto de la cámara de combustión más apropiado para ello, la gasolina arderá de forma espontánea, mejorando el rendimiento.
Esto no significa que se supriman las bujías, seguirán existiendo, pero sólo para garantizar el encendido en momentos puntuales de funcionamiento, en las fases en las que el rendimiento es mayor con un ciclo convencional que con el ciclo HCCI.
De este modo, el rendimiento de la mecánica de Mazda rozará el 48 %, es decir, sólo tiraremos por el tubo de escape, circuito de refrigeración, etc. el 52% de la energía.
Gracias a este sistema, sólo queda un elemento de la lista de causas de pérdidas de rendimiento de los motores de combustión interna: las pérdidas por calor, y ahí llegamos a la tercera generación Skyactiv…
Mazda 3 Skyactiv: el motor adiabático
Y llegamos por fin a la solución planteada por Mazda para reducir las pérdidas por ceder calor al circuito de refrigeración, bloque motor, etc. Cómo transformar ese calor en trabajo en lugar de desperdiciarlo es el sueño de los ingenieros y teóricos casi desde antes de inventarse el motor de combustión interna y se conoce como motor adiabático.
En termodinámica, se conoce como adiabático aquel proceso en el que no hay transferencia de calor durante el mismo. En el caso de un motor de gasolina, esto sería que, o bien no se generase calor en la combustión y por lo tanto no fuese necesario refrigerar el motor, o bien que el calor generado en la cámara de combustión se pudiese encerrar ahí y no se transmitiese ni al agua, ni las paredes del cilindro, etc.
Las limitaciones en la vida real para lograr este ideal son que el motor está hecho de una aleación metálica, y los metales son buenos transmisores del calor. Por otro lado, el aumento de temperatura del motor no se debe sólo a la energía liberada en la combustión, también por la fricción de las distintas partes, etc. El aceite que lubrica el motor también transmite el calor, etc.
Las soluciones que platea Mazda pasan por un aislamiento térmico de la cámara de combustión, aunque no han dado más detalles al respecto. Desde hace años se está experimentando con recubrimientos cerámicos, puede que los tiros vayan por ahí.
Probablemente también precisen de la eliminación de la junta de culata y de la optimización de la inyección de combustible, empleando la propia gasolina para regular la temperatura en la cámara de combustión.
Además de un mayor rendimiento termodinámico en sí mismo, el ideal del motor adiabático tendría la ventaja de no hacer necesario un circuito de refrigeración, lo que eliminaría una media de 20 kg de peso y también la energía absorbida por la bomba de agua que debe hacer circular un caudal considerable de refrigerante.
Ventajas finales de la tecnología Skyactiv de Mazda
Todo este desarrollo tecnológico tiene una finalidad: lograr las menores emisiones contaminantes (y por lo tanto los consumos más bajos) sin encarecer excesivamente el producto.
Para hacernos una idea, según los cálculos estimados por la marca, reducir las emisiones contaminantes de los 120 g/km actuales a los 90 g/km, supone un incremento de 4.000 euros en el precio del vehículo, cifra que asciende hasta los 12.000 en el caso de tener que reducir las emisiones hasta los 70 g/km. Con la tecnología Skyactiv se pueden lograr los 90 g/km sin necesidad de incrementar esos 4.000 euros el coste del vehículo, y reducir de 12.000 a 4.000 euros el aumento en el caso de los 70 g/km.
El límite de 70 g/km es debido a que es la cantidad de emisiones producidas por un vehículo eléctrico, teniendo en cuenta que en realidad, aunque el coche en sí no emite gases, sí se generan gases contaminantes para producir la energía eléctrica que lo mueve, y dependiendo del tipo de energía empleado en la generación de esa electricidad, las emisiones del coche eléctrico oscilan entre un mínimo de 50 g/km de CO2 si provienen de recursos renovables y limpios como la fotovoltaica o la eólica, o los 70 g/km si se emplean combustibles como el carbón, gas, o petróleo para su generación.
Por otro lado, la elevada eficiencia de los motores con tecnología Skyactiv permite aumentar el rendimiento de futuros modelos híbridos, que no necesitarán potencias muy elevadas de sus motores eléctricos para suplir la falta de par de la mecánica de combustión, reduciendo a la vez el tamaño de las baterías, y por lo tanto el peso.
De este modo, la tecnología Skyactiv permite un amplio margen de mejora en el rendimiento energético de los futuros modelos de Mazda, o lo que es lo mismo: menos consumo sin renunciar a un notable agrado de conducción.
Comentarios
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Hola Pablo, como de costumbre, muy inteligentes las cuestiones que planteas. Nadie dice que sea fácil lograr el motor "diesotto" (diésel y otto), Mercedes tiene algunos prototipos funcionando, pero los tiros van por ahí. EL tema de los NOx ya existe a día de hoy con los motores de inyección directa y se soluciona con catalizadores (caros, eso sí). El de las partículas "blancas" como se conoce a las procedentes de la combustión de gasolina, se pueden poner filtros, resulta mucho más sencillo que en los diésel, principalmente porque es más fácil lograr las temperaturas de incineración para las regeneraciones del filtro. Un saludo y gracias por tu atención.
Buenas Tardes; yo le veo algunos problemas a esta ``filosofía´´. Por ejemplo, cuando alcancen el 18:1 de relación de compresión, aparecerán los óxidos de nitrógeno (que han hecho bajar el ratio a los diésel, hasta el 14:1 de la propia mazda) y si comienzan a quemar el combustible por compresión, aparte de limitar la potencia (por el menor número de vueltas) también aparecerán las partículas; eso sin contar con que la presión de inyección deberá ser menor que en los diésel. Parece que tienen trabajo los señores/as de Mazda. Un saludo
Juan, ten en cuenta que el motor skyactiv se ahorra muchas piezas, algunas de ellas muy caras como el turbo, pero también el intercooler, válvulas de control de presión... que sencillamente no existen en una mecánica atmosférica. El Skyactiv es caro de "parir", pero una vez logrado el diseño básico, su producción es más barata que la de otro motor que tiene más componentes, que además son caros. Un saludo y gracias por tus palabras ;-).
Si, en cuanto a ingeniería está claro que un motor como el ecoboost de Ford o el puretech de PSA, son motores muy meritorios. Lo que difiero es en el coste real de producción de esos motores, comparándolos con un Skyactiv de Mazda. Desde el punto de vista del consumidor yo prefiero un motor de 2L y 120cv que gaste lo mismo que uno de los anteriores, fiabilidad. Eso no quiere decir que esos motores en un futuro puedan ser fiables, pero está por comprobar. Gracias a ti Rubén, un placer leerte.
Hola Juan, aunque un 1.0 de 3 cilindros turbo parezca más sencillo que un 2.0 de 4 cilindros, la realidad es que es mucho más complicado y caro de fabricar de lo que pueda parecer. Evitar que un 3 cilindros vibre como una segadora, que un 1.0 tenga par suficiente como para mover los pesados modelos actuales que rara vez bajan de 1.400 kg, etc. es muy complicado: enormes volantes de inercia, presiones de alimentación y sobrealimentación elevadas, pistones refrigerados por aceite para aguantar la soprepresión, materiales de ultrabaja fricción interna... Lo que sí que tengo claro, y estoy completamente contigo, es que los fabricantes cada vez ajustan más la vida útil de sus motores, raro es el que hoy en día esté preparado para superar los 250.000 km, que es la vida con la que se proyectan. Un saludo y muchas gracias por tu interesante aportación.