Nerds del motor: Envuelva Su Cabeza alrededor de este Diseño sin cabeza
Los esfuerzos de Mazda de cinco décadas, en gran parte inútiles, en nombre del motor rotativo demuestran lo difícil que es desbancar el motor de pistón convencional. Sin embargo, siguen surgiendo nuevos conceptos, especialmente dada la incesante búsqueda de eficiencia de la industria. La mayoría de ellos nunca pasan de la etapa de diseño, o incluso de crayones. Pero aquí hay un diseño que está bien desarrollado y muestra una promesa considerable.
Es el motor Achates de pistón opuesto (OP), un prototipo del cual se mostró en una camioneta Ford F-150 en el salón del automóvil de Detroit 2018. Ese motor tenía tres cilindros largos en una fila, con un cigüeñal por debajo y otro por encima de la fila de cilindros. Un par de pistones opuestos recíprocamente en cada cilindro, cada uno conectado a su propio cigüeñal.
Cómo funciona
El motor es un puerto de pistón de dos tiempos, lo que significa que no tiene válvulas. En cambio, los orificios en las paredes de los cilindros se descubren cuando los pistones están en la parte inferior de sus golpes. Los puertos inferiores son las entradas y los superiores son los escapes, y el escape conduce a la entrada unos 10 grados para garantizar que los escapes se abran primero. Cuando ambos están abiertos, un sobrealimentador sopla aire fresco en el cilindro en un extremo para forzar los gases de escape hacia el otro extremo. Luego, los pistones comienzan a moverse uno hacia el otro, cubriendo ambos puertos y comprimiendo el aire. El combustible se inyecta directamente en el cilindro cuando los pistones se acercan al final de su recorrido. Por lo tanto, no hay carreras de admisión y escape como en un motor convencional de cuatro tiempos, solo carreras de compresión y potencia. Probablemente sea más fácil de entender viendo esta animación, proporcionada por el fabricante.
El diseño básico del motor Achates ha existido durante algún tiempo. La Luftwaffe alemana comenzó a utilizar motores diésel similares Junkers Jumo de pistón opuesto en aviones grandes en 1932. Un Fairbanks-Morse de pistón opuesto más grande propulsaba la mayoría de los submarinos de la Marina de los Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial y aún proporciona energía de respaldo en submarinos nucleares modernos.
Hacer una Idea Antigua Nueva
Achates ha tomado este diseño básico y mejorado las características de combustión, al tiempo que proporciona la capacidad de adaptar el funcionamiento del motor para que coincida con diferentes condiciones y combustibles. Gran parte del desarrollo se ha centrado en versiones diesel, pero la compañía también está trabajando en versiones de gasolina sin bujías, el concepto HCCI (Encendido por Compresión de Carga Homogénea) que muchos están desarrollando pero nadie ha perfeccionado.
La teoría sugiere que un motor de pistón opuesto tiene una ventaja de eficiencia porque, como no hay culatas, se pierde menos calor en el sistema de enfriamiento. Piense en una cámara de combustión convencional en la que las superficies consisten en una corona de pistón, una circunferencia cilíndrica corta y una culata. En el diseño OP, cada par de cilindros se une, por lo que se eliminan las cabezas.
Además, debido a que la cámara de combustión de cada pistón se conecta con la de otro, la cámara resultante es más gruesa y menos como un disco delgado. Achates aumenta esta ventaja al usar un golpe de hasta 1,3 veces más largo que el agujero. Achates moldea cuidadosamente las coronas del pistón para proporcionar remolino y giro a la carga de admisión para promover una combustión rápida y estable.
Dos inyectores directos opuestos, cada uno de los cuales suministra múltiples chorros cuidadosamente programados, logran una distribución completa del combustible para quemar la mayor parte del aire y limitar la generación de partículas. Una relación de compresión de alrededor de 18.0:1 para la versión de encendido por compresión de gasolina (GCI) y un poco menos para el diesel asegura una buena relación de expansión para extraer la máxima energía mecánica de cada evento de combustión.
Superior Borrado Es Clave
el secreto de La salsa para realizar este trabajo es la capacidad para controlar la compactación en el motor. El sobrealimentador, que proporciona aire a baja presión para barrer los cilindros, tiene un accionamiento de dos velocidades y también se puede derivar. Esta flexibilidad permite que el cilindro no se cargue completamente en ciertas condiciones. Por ejemplo, durante un arranque en frío, la eliminación parcial de residuos deja muchos productos de combustión del ciclo anterior (recirculación interna del gas de escape ) en el cilindro. Esto aumenta la temperatura de combustión y proporciona un flujo de escape más caliente para que los catalizadores alcancen la temperatura de funcionamiento.
Un entorno de combustión más caliente combustión a bajas revoluciones y bajo cargas ligeras, que ha sido un área problemática para los motores HCCI convencionales. Al ralentí, por ejemplo, el gas de escape retenido es de aproximadamente el 50 por ciento. Con salidas de potencia más altas, el cilindro se elimina por completo para mantener bajas las temperaturas máximas de combustión, lo que limita las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx). También es útil que, mientras que el motor también tiene un turbocompresor para reemplazar al sobrealimentador a cargas más altas y para mejorar la eficiencia, el motor no funciona con mucha presión de refuerzo. En cambio, el diseño de dos tiempos, con el doble de carreras de potencia por revolución, permite que el motor coincida con la potencia del motor convencional sin mucho impulso, incluso cuando se reduce de 20 a 30 por ciento en desplazamiento.
Aunque no hay un tren de válvulas convencional en este motor, la fricción general es similar a un motor convencional debido al segundo cigüeñal, el robusto tren de engranajes que conecta las dos bielas y la necesidad de conducir el sobrealimentador. El peso es también comparable. El motor es más alto que un motor convencional, pero al inclinarlo, generalmente cabe debajo de las campanas existentes.
Más Eficiente Que un Prius?
Achates afirma que la versión GCI de este motor logrará una eficiencia máxima del 44 por ciento. Eso es solo un 10 por ciento mejor que el 40 por ciento de eficiencia reclamado por el motor de ciclo Atkinson en el actual Toyota Prius, pero Larry Fromm, vicepresidente ejecutivo de desarrollo de negocios de Achates, dice que el motor Achates ofrece esa eficiencia en un rango mucho más amplio de rpm y carga que el motor Prius. Por ejemplo, se dice que el motor Achates GCI en el Ford F-150 logra un ahorro de combustible un 30 por ciento mejor en el ciclo de la EPA que el motor de gasolina más eficiente de Ford, el EcoBoost V-6 de 2.7 litros. Eso significaría una clasificación combinada de aproximadamente 29 mpg, o 4 mpg más que la de Ford 3.V-6 diesel de 0 litros en la versión de tracción trasera de ese camión.
Desafortunadamente, no es probable que veamos un motor Achates debajo del capó de un coche o camión durante algunos años. Achates no tiene planes de construir motores por sí mismo, pero tiene la intención de licenciar su tecnología a fabricantes establecidos. Ya tiene una relación con Fairbanks-Morse, que está utilizando la tecnología Achates en un diesel estacionario de 12 cilindros, 24 pistones, 5000 hp y 95,000 libras utilizado para la generación de energía. Fairbanks-Morse afirma una eficiencia térmica del 50 por ciento.
Achates también está trabajando con Cummins para desarrollar un motor de pistón opuesto de 1000 hp para impulsar vehículos de combate para el Ejército de los Estados Unidos. Fromm dice que la compañía está en conversaciones con varios fabricantes de automóviles importantes que están interesados en la versión de GCI. Pero sin nada concreto todavía, y con los largos tiempos de desarrollo y pruebas a los que se someten los nuevos motores, no veremos un motor Achates en la carretera durante al menos cinco años.
Las aplicaciones automotrices Podrían Incluir Híbridos enchufables
Si cree que para entonces los automóviles eléctricos habrán eliminado la necesidad de motores de combustión interna de cualquier tipo, piénselo de nuevo. Si la eficiencia del motor se logra en la producción, lograr los estándares federales de economía de combustible de 2025 podría ser más fácil y más barato con el diseño Achates que mediante el empleo de electrificación. Y, señala Fromm, los motores de pistón opuesto son inherentemente lisos, por lo que una versión de un solo cilindro y dos pistones podría ser un extensor de alcance ideal para un PHEV, especialmente porque se puede convertir en un paquete plano escondido debajo de un maletero o asiento. Solo el tiempo dirá si Achates ha descifrado el código para motores de pistón opuesto en automóviles y camiones.
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