Cómo los motores de gasolina pueden sobrevivir en un futuro de automóviles eléctricos

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Los motores de combustión no desaparecerán por completo en el corto plazo, si es que lo hacen. Ciertas tareas de transporte o entornos operativos simplemente no se prestan a la propulsión eléctrica alimentada por batería o hidrógeno. Un siglo y medio de investigación y desarrollo ha aumentado considerablemente la eficiencia de los motores de combustión, y los ingenieros tienen muchos trucos adicionales bajo la manga que prometen extraer aún más trabajo de una molécula de combustible y producir aún menos emisiones nocivas. Aquí hay algunos que estamos vigilando, enumerados en orden de complejidad y costo de implementación.

El simple hecho de poder diseñar un motor para que funcione con una compresión de 15:1 o superior mejora en gran medida su eficiencia termodinámica y densidad de potencia, lo que permite una mayor reducción del tamaño del motor. Eso requiere combustible de mayor octanaje, y un índice de octanaje de investigación (RON) de 98 representa un punto óptimo, por encima del cual producir/refinar el combustible consume más energía, lo que reduce el beneficio de energía/CO2 del pozo a las ruedas.

Los motores están dimensionados para los peores escenarios, como la aceleración de un cuarto de milla o el arrastre de remolques pesados ​​por la presa Davis. La desactivación de cilindros mejora la eficiencia durante situaciones de manejo menos extremas al hacer que algunos cilindros trabajen duro en Davis Dam mientras que los demás no hacen nada. Dynamic Fuel Management puede apagar cualquiera o todos los cilindros en los motores V-8 de 5.3 y 6.2 litros de GM para aumentar la economía de combustible según la EPA en casi un 12 por ciento. Tula Technologies y Eaton ahora proponen sistemas similares para motores diésel de larga distancia, en los que una menor rentabilidad de la eficiencia del combustible (1,5-4,0 por ciento) genera enormes dividendos de NOx al mantener las temperaturas de escape necesarias para mantener encendidos los catalizadores.

La potencia de un motor está limitada por la cantidad de aire que puede ingerir, razón por la cual hace más de un siglo se desarrollaron los sobrealimentadores impulsados ​​por cigüeñal y los turbocompresores impulsados ​​por escape. Los supercargadores eléctricos que usan energía recuperada alimentan los motores Volvo Drive E y Mercedes M256, entre otros; agregar un motor/generador a un turbocompresor elimina el retraso bajo el poder y permite la recolección de energía mientras se navega. Dos variantes interesantes de los supercargadores accionados por manivela son el soplador centrífugo Torotrak V-Charge, que emplea una CVT para adaptar rápidamente la velocidad a la demanda, y el soplador tipo Lysholm de Hansen Engine Corp, que cuenta con una ventana que se abre o cierra para satisfacer la demanda de aire. presión mientras minimiza las pérdidas para brindar eficiencia turbo con capacidad de respuesta sobrealimentada.

Debido a que el combustible tarda en quemarse, las bujías convencionales se disparan cuando el pistón ya se está moviendo hacia arriba, lo que hace que la combustión inicial sea contraproducente. Los esquemas para encender más mezcla simultáneamente prometen una combustión más rápida que permite que suceda principalmente en la carrera descendente. Ford desarrolló láseres de infrarrojo cercano para encender múltiples puntos en una cámara de combustión, pero el costo y la confiabilidad siguen siendo problemáticos. El reemplazo directo de la bujía de Transient Plasma inyecta láminas de plasma de baja temperatura que promete encender mezclas ultrapobres de forma rápida y fría para un aumento de la economía de combustible del 10-15 por ciento y una reducción drástica de NOx. Incluso el nuevo sistema Twin-Combustion de precámara de Maserati califica como un acelerador de encendido.

Este concepto pan comido promete alta compresión para un crucero parsimonioso con aceleración ligera y baja compresión cuando el turbo está en potencia. El artilugio de biela compuesto Rube-Goldberg de Nissan varía la carrera del motor, alterando la compresión infinitamente entre 8:1 y 14:1. Nos ha decepcionado el rendimiento y la economía de combustible del VC-Turbo de Nissan/Infiniti y nos preguntamos si la biela excéntrica del FEV podría ser más simple y funcionar mejor. La presión de aceite suministrada a través del cigüeñal hace girar un cojinete excéntrico en el extremo del pistón, cambiando la carrera en un rango más estrecho, digamos de 8:1 a 12:1, lo que promete una reducción del 5 por ciento en el consumo de combustible.

¡Eficiencia de un diésel con emisiones de gasolina! Esa es la promesa dicotómica de HCCI, que busca encender espontáneamente mezclas de gasolina pobre por compresión. GM, Mercedes y Hyundai tenían programas HCCI prometedores, pero solo Mazda ha llevado HCCI a la producción. Algo así como. SkyactivX usa una bujía parte del tiempo y todavía se considera demasiado costoso para la venta en América del Norte. Nautilus Engineering ha propuesto un concepto HCCI que involucra un pequeño pistón encima del pistón principal que ingresa a su propio cilindro pequeño de mayor compresión en la parte superior de la carrera para iniciar la ignición por compresión. Sin embargo, no tenemos conocimiento de ningún contrato OEM que tenga la empresa.

Los motores de combustión generan mucho calor y vibraciones; ¿Por qué no utilizarlo para generar vapor o energía termoeléctrica o piezoeléctrica? El sistema Turbosteamer propuesto por BMW y muchos otros han sido abandonados por razones de costo y peso. Los generadores termoeléctricos de estado sólido prometen convertir el calor, generalmente de los componentes del escape, directamente en electricidad. (La viabilidad de la producción espera mejoras en la eficiencia de los materiales requeridos del nivel actual de aproximadamente el 5 por ciento). Y los investigadores de la Universidad de Duke proponen usar cristales piezoeléctricos como los que se expanden con el voltaje para accionar los inyectores de combustible directos para generar energía bajo vibración.

Cualquier diseño de motor radicalmente nuevo se enfrenta a una inmensa inercia industrial. Sin embargo, algunas "mejores trampas para ratones" parecen mantenerse firmes. Achates Power recibió recientemente otra subvención de $ 5 millones del Ejército para continuar desarrollando su motor de tres cilindros, seis pistones opuestos, cigüeñal doble y dos tiempos (que se muestra arriba). En un prototipo supercargado y turbocargado de 4.9 litros que produce 275 hp y 811 libras por pie de torque, su eficiencia supuestamente superó a un turbodiésel Power Stroke de 6.7 litros en un Ford F-Series en un 20 por ciento. Scuderi y Primavis han propuesto motores de ciclo dividido que ejecutan los ciclos de admisión/compresión y combustión/escape en cilindros separados, cada uno diseñado para sus distintas tareas. Esto mantiene bajas las temperaturas. Scuderi tuvo problemas legales con sus inversionistas, Primavis imaginó su pequeño motor de dos tiempos principalmente como un extensor de rango, y ninguno de los dos ha sido noticia últimamente, aunque su ciencia subyacente parece sólida. El concepto LiquidPiston X-1 es un motor rotativo "Wankel de adentro hacia afuera" que presenta un rotor con forma de carcasa de Wankel que se tambalea a través de una carcasa vagamente triangular con tres cámaras de combustión. El montaje de sellos de aceite en la carcasa estacionaria los hace más fáciles de lubricar. Todavía está en desarrollo activo como extensor de rango. Y luego hay avances más grandes en el diseño, como el concepto de turbina de combustión interna rotativa de Astron Aerospace, que combina la operación de ciclo dividido, HCCI, un ciclo de expansión superlargo y otras grandes ideas. También está todavía en desarrollo activo, generando afirmaciones impresionantes de potencia, torque y eficiencia.

Biocombustibles: el uso de energía verde para producir combustible a partir de plantas que extrajeron CO2 de la atmósfera teóricamente no agrega CO2 nuevo a nuestro "invernadero". Pero el funcionamiento con etanol puro hecho de maíz generalmente no cuenta, porque la tierra utilizada para cultivar ese maíz generalmente ha estado convirtiendo la misma cantidad de CO2, ya sea que se convierta en combustible o en jarabe de maíz con alto contenido de fructosa, por lo que no se puede reclamar una reducción neta de carbono. . Los biocombustibles elaborados a partir de materias primas celulósicas como tallos de maíz, pasto miscanthus o nuevos cultivos plantados donde no se ha cultivado o podría cosechar nada antes cuentan, y existen numerosos procesos para convertir materiales celulósicos o incluso basura en etanol, metanol o butanol. . También se han identificado varios procesos de conversión de algas en biodiésel. Lamentablemente, son demasiado costosos para competir con la gasolina barata.

Captura directa de carbono: se han propuesto varios esquemas para extraer CO2 del aire e hidrogenarlo para formar un combustible de hidrocarburo. Prometheus Fuels planea fabricar gasolina a partir de CO2, y una colaboración de Audi/Sunfire tiene la intención de fabricar diésel a partir de "crudo azul" creado mediante el uso de electricidad verde para combinar el carbono del CO2 con hidrógeno del agua. Carbon Engineering en Columbia Británica, Canadá, planea una producción a escala comercial para 2022. Y ReactWell LLC espera combinar un proceso del Laboratorio Nacional de Oak Ridge para convertir CO2 directamente en etanol con su propio proceso para convertirlo en petróleo crudo biológico que se puede refinar en diversos combustibles de hidrocarburos.