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Ignición por compresión de carga homogénea

La ignición por compresión de carga homogénea ( HCCI ) es una forma de combustión interna en la que el combustible y el oxidante (normalmente aire) , bien mezclados, se comprime...

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La ignición por compresión de carga homogénea ( HCCI ) es una forma de combustión interna en la que el combustible y el oxidante (normalmente aire) , bien mezclados, se comprimen hasta el punto de autoignición. Al igual que en otras formas de combustión , esta reacción exotérmica produce calor que puede transformarse en trabajo en una máquina térmica .

HCCI combina características de los motores de gasolina convencionales y los motores diésel . Los motores de gasolina combinan la carga homogénea (HC) con el encendido por chispa (SI), abreviado como HCSI. Los motores diésel modernos de inyección directa combinan la carga estratificada (SC) con el encendido por compresión (CI), abreviado como SCCI.

Al igual que en el sistema HCSI, el sistema HCCI inyecta combustible durante la carrera de admisión. Sin embargo, en lugar de utilizar una descarga eléctrica (chispa) para encender una parte de la mezcla, el sistema HCCI aumenta la densidad y la temperatura mediante compresión hasta que toda la mezcla reacciona espontáneamente.

La ignición por compresión de carga estratificada también se basa en el aumento de temperatura y densidad resultante de la compresión. Sin embargo, inyecta el combustible más tarde, durante la carrera de compresión. La combustión se produce en la interfaz entre el combustible y el aire, lo que genera mayores emisiones, pero permite una combustión más pobre y con mayor compresión, lo que resulta en una mayor eficiencia.

El control de los sistemas HCCI requiere control por microprocesador y un profundo conocimiento del proceso de ignición. Los diseños HCCI logran emisiones similares a las de un motor de gasolina con una eficiencia similar a la de un motor diésel.

Los motores HCCI alcanzan niveles extremadamente bajos de emisiones de óxidos de nitrógeno ( NOx ) sinconvertidor catalítico. Las emisiones de hidrocarburos (combustibles y aceites no quemados) y monóxido de carbono aún requieren tratamiento para cumplir conde control de emisiones de automóviles.

Investigaciones recientes han demostrado que los combustibles híbridos que combinan diferentes reactividades (como la gasolina y el diésel) pueden ayudar a controlar la ignición HCCI y las tasas de combustión. Se ha demostrado que la ignición por compresión controlada por reactividad (RCCI ) proporciona un funcionamiento altamente eficiente y de bajas emisiones en amplios rangos de carga y velocidad. [ 1 ]

Historia

Los motores HCCI tienen una larga historia, aunque no se han implementado tan ampliamente como el encendido por chispa o la inyección diésel. Esencialmente, se trata de un ciclo de combustión Otto . El HCCI era popular antes de que se utilizara el encendido electrónico por chispa . Un ejemplo es el motor de bulbo caliente , que utilizaba una cámara de vaporización caliente para ayudar a mezclar el combustible con el aire. El calor adicional, combinado con la compresión, generaba las condiciones para la combustión. Otro ejemplo es el motor diésel de los aviones a escala .

Operación

Métodos

Una mezcla de combustible y aire se enciende cuando la concentración y la temperatura de los reactivos son suficientemente altas. La concentración y/o la temperatura se pueden aumentar de varias maneras diferentes:

  • Aumento de la relación de compresión
  • Precalentamiento de los gases de inducción
  • Inducción forzada
  • Gases de escape retenidos o reintroducidos

Una vez encendida, la combustión se produce muy rápidamente. Si la autoignición ocurre demasiado pronto o con demasiada energía química, la combustión es demasiado rápida y las altas presiones dentro del cilindro pueden destruir el motor. Por esta razón, los motores HCCI suelen funcionar con mezclas de combustible pobres.

Ventajas

  • Dado que los motores HCCI son pobres en combustible, pueden operar con relaciones de compresión similares a las del diésel (>15), logrando así eficiencias un 30 % mayores que los motores de gasolina SI convencionales. [ 2 ]
  • La mezcla homogénea de combustible y aire produce una combustión más limpia y menores emisiones. Debido a que las temperaturas máximas son significativamente más bajas que en los motores de encendido por chispa típicos, los niveles de NO x son prácticamente insignificantes. Además, esta técnica no produce hollín . [ 3 ]
  • Los motores HCCI pueden funcionar con gasolina, diésel y la mayoría de los combustibles alternativos. [ 4 ]
  • El HCCI evita las pérdidas por estrangulamiento, lo que mejora aún más la eficiencia. [ 5 ]

Desventajas

  • Lograr la capacidad de arranque en frío.
  • Las elevadas tasas de liberación de calor y de aumento de presión contribuyen al desgaste del motor.
  • La autoignición es difícil de controlar, a diferencia del evento de ignición en los motores de encendido por chispa y diésel , que están controlados por bujías e inyectores de combustible en el cilindro, respectivamente. [ 6 ]
  • Los motores HCCI tienen un rango de par pequeño, limitado a bajas cargas por los límites de inflamabilidad de la mezcla pobre y a altas cargas por las restricciones de presión en el cilindro. [ 7 ]
  • Las emisiones de monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC) antes del catalizador son más altas que en un motor de encendido por chispa típico, debido a la oxidación incompleta (debido al rápido evento de combustión y a las bajas temperaturas dentro del cilindro) y a los gases atrapados en las grietas, respectivamente. [ 8 ]

Control

El control de un motor HCCI es más complejo que el de otros motores de combustión, como los de encendido por chispa (SI) y los diésel. En un motor de gasolina convencional , se utiliza una chispa para encender la mezcla premezclada de combustible y aire. En los motores diésel , la combustión comienza cuando el combustible se inyecta en el aire precomprimido. En ambos casos, el momento de la combustión se controla explícitamente. Sin embargo, en un motor HCCI, la mezcla homogénea de combustible y aire se comprime y la combustión comienza cuando se alcanzan la presión y la temperatura suficientes. Esto significa que ningún iniciador de combustión bien definido proporciona un control directo. Los motores deben diseñarse de manera que las condiciones de ignición se produzcan en el momento deseado. Para lograr un funcionamiento dinámico, el sistema de control debe gestionar las condiciones que inducen la combustión. Las opciones incluyen la relación de compresión, la temperatura del gas de admisión, la presión del gas de admisión, la relación combustible-aire o la cantidad de gases de escape retenidos o reingresados. A continuación se analizan varios enfoques de control.

Relación de compresión

Dos relaciones de compresión son importantes. La relación de compresión geométrica se puede modificar mediante un émbolo móvil en la parte superior de la culata . Este sistema se utiliza en motores diésel para aeromodelos . La relación de compresión efectiva se puede reducir con respecto a la geométrica cerrando la válvula de admisión muy tarde o muy temprano mediante la actuación variable de válvulas ( distribución variable de válvulas que permite el ciclo Miller ). Ambos enfoques requieren energía para lograr una respuesta rápida. Además, su implementación es costosa, pero efectiva. [ 9 ] El efecto de la relación de compresión en la combustión HCCI también se ha estudiado ampliamente. [ 10 ]

Temperatura de inducción

El evento de autoignición de HCCI es altamente sensible a la temperatura. El método de control de temperatura más simple utiliza calentadores de resistencia para variar la temperatura de entrada, pero este enfoque es demasiado lento para cambiar con una frecuencia de ciclo a ciclo. [ 11 ] Otra técnica es la gestión térmica rápida (FTM). Se logra variando la temperatura de la carga de admisión mediante la mezcla de corrientes de aire caliente y frío. Es lo suficientemente rápida como para permitir el control de ciclo a ciclo. [ 12 ] También es costosa de implementar y tiene un ancho de banda limitado asociado con la energía del actuador.

Porcentaje de gases de escape

Los gases de escape están muy calientes si se retienen o se reintroducen del ciclo de combustión anterior, o fríos si se recirculan a través de la admisión, como en los sistemas EGR convencionales . Los gases de escape tienen un doble efecto en la combustión HCCI. Diluyen la carga fresca, retrasando la ignición y reduciendo la energía química y la potencia del motor. Por el contrario, los productos calientes de la combustión aumentan la temperatura del gas en el cilindro y adelantan la ignición. Se ha demostrado experimentalmente el control del momento de la combustión en motores HCCI mediante EGR. [ 13 ]

Accionamiento de válvulas

La actuación variable de válvulas (VVA) amplía la región de funcionamiento del HCCI al proporcionar un control más preciso sobre el rango de temperatura, presión y tiempo dentro de la cámara de combustión. La VVA puede lograr esto mediante:

  • Controlar la relación de compresión efectiva: el sistema VVA en la admisión permite controlar el punto de cierre de la válvula de admisión. Al retrasar el encendido más allá del punto muerto inferior (PMI), se modifica la relación de compresión, alterando así la curva presión-tiempo dentro del cilindro.
  • Controlar la cantidad de gases de escape calientes retenidos en la cámara de combustión: El sistema VVA permite controlar la cantidad de recirculación de gases de escape calientes dentro de la cámara de combustión, ya sea mediante la reapertura de las válvulas o cambios en el solapamiento de las mismas. Al equilibrar el porcentaje de recirculación de gases de escape externos refrigerados con la recirculación de gases de escape internos calientes generada por un sistema VVA, es posible controlar la temperatura dentro del cilindro.

Si bien los sistemas electrohidráulicos y VVA sin levas permiten controlar el movimiento de la válvula, sus componentes son actualmente complejos y costosos. Sin embargo, los sistemas mecánicos de elevación y duración variables, aunque más complejos que un tren de válvulas estándar, son más económicos y sencillos. Su configuración para lograr el control necesario sobre la curva de elevación de la válvula es relativamente simple.

mezcla de combustible

Otro medio para ampliar el rango de funcionamiento es controlar el inicio de la ignición y la tasa de liberación de calor [ 14 ] [ 15 ] manipulando el propio combustible. Esto se suele llevar a cabo mezclando varios combustibles "sobre la marcha" para el mismo motor. [ 16 ] Algunos ejemplos incluyen la mezcla de gasolina y diésel comerciales, [ 17 ] la adopción de gas natural [ 18 ] o etanol. [ 19 ] Esto se puede lograr de varias maneras:

  • Mezcla inicial: Los combustibles se mezclan en fase líquida, uno con baja resistencia a la ignición (como el diésel) y otro con mayor resistencia (gasolina). El momento de la ignición varía según la proporción de estos combustibles.
  • Mezcla en la cámara: Un combustible puede inyectarse en el conducto de admisión (inyección en el puerto) y el otro directamente en el cilindro.

Inyección directa: combustión PCCI o PPCI

La combustión por inyección directa de encendido por compresión (CIDI) es un método bien establecido para controlar el momento del encendido y la tasa de liberación de calor, y se utiliza en la combustión de motores diésel . El encendido por compresión de carga parcialmente premezclada (PPCI), también conocido como encendido por compresión de carga premezclada (PCCI), es una solución intermedia que ofrece el control de la combustión CIDI con las emisiones reducidas de gases de escape de HCCI, específicamente menor hollín . [ 20 ] La tasa de liberación de calor se controla preparando la mezcla combustible de tal manera que la combustión se produzca durante un período de tiempo más prolongado, lo que la hace menos propensa al picado . Esto se logra sincronizando el evento de inyección de manera que se distribuya un rango de relaciones aire/combustible en el cilindro de combustión cuando comienza el encendido. El encendido ocurre en diferentes regiones de la cámara de combustión en diferentes momentos, lo que ralentiza la tasa de liberación de calor. Esta mezcla está diseñada para minimizar el número de bolsas ricas en combustible, reduciendo la formación de hollín. [ 21 ] La adopción de combustibles diésel con alto EGR y mayor resistencia a la ignición (más "similares a la gasolina") permite tiempos de mezcla más prolongados antes de la ignición y, por lo tanto, menos zonas ricas que producen hollín y NOx [ 20 ] [ 21 ]

Presión máxima y tasa de liberación de calor

En un motor de combustión interna (MCI) típico, la combustión se produce mediante una llama. Por lo tanto, en cualquier momento, solo una fracción del combustible total se está quemando. Esto resulta en bajas presiones máximas y bajas tasas de liberación de energía. Sin embargo, en un motor HCCI, toda la mezcla de combustible y aire se enciende y se quema en un intervalo de tiempo mucho menor, lo que resulta en altas presiones máximas y altas tasas de liberación de energía. Para soportar las presiones más altas, el motor debe ser estructuralmente más resistente. Se han propuesto varias estrategias para reducir la velocidad de combustión y la presión máxima. La mezcla de combustibles con diferentes propiedades de autoignición puede reducir la velocidad de combustión. [ 22 ] Sin embargo, esto requiere una infraestructura significativa para su implementación. Otro enfoque utiliza la dilución (es decir, con gases de escape) para reducir la presión y las tasas de combustión (y la potencia). [ 23 ]

En el enfoque de cámara de combustión divididaHay dos cámaras de combustión que cooperan: una auxiliar pequeña y una principal grande. En la cámara de combustión auxiliar se utiliza una alta relación de compresión. En la cámara de combustión principal se utiliza una relación de compresión moderada, donde una mezcla homogénea de aire y combustible se comprime/calienta cerca, pero por debajo, del umbral de autoignición. La alta relación de compresión en la cámara de combustión auxiliar provoca la autoignición de la mezcla homogénea pobre de aire y combustible en su interior (no se requiere bujía); los gases quemados se liberan, a través de unos "orificios de transferencia", justo antes del punto muerto superior (PMS), hacia la cámara de combustión principal, desencadenando su autoignición. El motor no necesita ser estructuralmente más resistente.

Fuerza

En los motores de combustión interna (MCI), la potencia se puede aumentar introduciendo más combustible en la cámara de combustión. Estos motores pueden soportar un aumento de potencia debido a que su tasa de liberación de calor es lenta. Sin embargo, en los motores HCCI, aumentar la relación aire/combustible resulta en presiones máximas y tasas de liberación de calor más elevadas. Además, muchas estrategias de control viables para los motores HCCI requieren el precalentamiento térmico del combustible, lo que reduce la densidad y, por lo tanto, la masa de la mezcla aire/combustible en la cámara de combustión, disminuyendo así la potencia. Estos factores dificultan el aumento de potencia en los motores HCCI.

Una técnica consiste en utilizar combustibles con diferentes propiedades de autoignición . Esto reduce la tasa de liberación de calor y las presiones máximas, y permite aumentar la relación de equivalencia. Otra forma es estratificar térmicamente la carga de manera que distintos puntos de la carga comprimida tengan temperaturas diferentes y se quemen en momentos distintos, lo que reduce la tasa de liberación de calor y permite aumentar la potencia. [ 24 ] Una tercera forma es hacer funcionar el motor en modo HCCI solo en condiciones de carga parcial y hacerlo funcionar como un motor diésel o de encendido por chispa en condiciones de carga más elevadas. [ 25 ]

Emisiones

Debido a que el HCCI funciona con mezclas pobres, la temperatura máxima es mucho menor que la que se encuentra en los motores de encendido por chispa y diésel. Esta baja temperatura máxima reduce la formación de NOx , pero también provoca una combustión incompleta del combustible, especialmente cerca de las paredes de la cámara de combustión. Esto genera emisiones relativamente altas de monóxido de carbono e hidrocarburos. Un catalizador oxidante puede eliminar las especies reguladas, ya que los gases de escape siguen siendo ricos en oxígeno.

Diferencia con el golpe

El golpeteo o detonación del motor se produce cuando algunos de los gases no quemados que se encuentran delante de la llama en un motor de encendido por chispa se inflaman espontáneamente. Este gas se comprime a medida que la llama se propaga y la presión en la cámara de combustión aumenta. La alta presión y la consiguiente alta temperatura de los reactivos no quemados pueden provocar su ignición espontánea. Esto genera una onda de presión que se propaga desde la región de gases residuales y una onda de expansión que se propaga hacia dicha región. Las dos ondas se reflejan en los límites de la cámara de combustión e interactúan para producir ondas estacionarias de gran amplitud , formando así un dispositivo termoacústico primitivo donde la resonancia se amplifica por el aumento de la liberación de calor durante el recorrido de la onda, de forma similar a un tubo de Rijke .

En los motores HCCI se produce un proceso de ignición similar. Sin embargo, en lugar de que parte de la mezcla reactiva se inflame por compresión delante de un frente de llama, la ignición en estos motores se produce debido a la compresión del pistón, de forma más o menos simultánea, en la mayor parte de la carga comprimida. Las diferencias de presión entre las distintas regiones del gas son mínimas o inexistentes, lo que elimina cualquier onda de choque y detonación, pero el rápido aumento de presión sigue presente y resulta deseable para lograr la máxima eficiencia mediante una adición de calor isocórica casi ideal.

Simulación de motores HCCI

Los modelos computacionales para simular la combustión y las tasas de liberación de calor de los motores HCCI requieren modelos químicos detallados. [ 17 ] [ 26 ] [ 27 ] Esto se debe principalmente a que la ignición es más sensible a la cinética química que a la turbulencia/pulverización o a los procesos de chispa, como son típicos en los motores SI y diésel. Los modelos computacionales han demostrado la importancia de tener en cuenta que la mezcla dentro del cilindro es realmente heterogénea, particularmente en términos de temperatura. Esta heterogeneidad es impulsada por la mezcla turbulenta y la transferencia de calor desde las paredes de la cámara de combustión. La cantidad de estratificación de temperatura determina la tasa de liberación de calor y, por lo tanto, la tendencia a la detonación. [ 28 ] Esto limita la utilidad de considerar la mezcla dentro del cilindro como una sola zona, lo que resulta en la integración de códigos de dinámica de fluidos computacional 3D como el código KIVA CFD del Laboratorio Nacional de Los Alamos y códigos de modelado de función de densidad de probabilidad de resolución más rápida. [ 29 ] [ 30 ]

Prototipos

Varios fabricantes de automóviles cuentan con prototipos HCCI funcionales.

  • La motocicleta Honda EXP-2 de 1994 utilizaba el sistema de combustión ARC. Este motor de dos tiempos empleaba una válvula de escape para simular el modo HCCI. Honda comercializó la CRM 250 AR.
  • En 2007–2009, General Motors demostró HCCI con un motor Ecotec de 2.2 L modificado instalado en Opel Vectra y Saturn Aura . [ 31 ] El motor funciona en modo HCCI a velocidades inferiores a 60 millas por hora (97 km/h) o en crucero, cambiando a SI convencional cuando se abre el acelerador y produce un consumo de combustible de 43 millas por galón imperial (6.6 L/100 km; 36 mpg - EE. UU. ) y emisiones de dióxido de carbono de aproximadamente 150 gramos por kilómetro, mejorando las 37 millas por galón imperial (7.6 L/100 km; 31 mpg - EE. UU. ) y 180 g/km de la versión convencional de inyección directa de 2.2 L. [ 32 ] GM también está investigando motores más pequeños de la Familia 0 para aplicaciones HCCI. GM ha utilizado KIVA en el desarrollo de motores de gasolina de inyección directa y carga estratificada, así como en el motor de gasolina de combustión rápida y carga homogénea. [ 30 ]        
  • Mercedes-Benz desarrolló un prototipo de motor llamado DiesOtto , con encendido automático controlado. Fue exhibido en su prototipo F 700 en el Salón del Automóvil de Frankfurt de 2007. [ 33 ]
  • Volkswagen está desarrollando dos tipos de motor para funcionamiento HCCI. El primero, denominado Sistema de Combustión Combinada (CCS), se basa en el motor diésel de 2.0 litros del Grupo VW, pero utiliza una carga de admisión homogénea. Requiere combustible sintético para obtener el máximo rendimiento. El segundo se denomina Encendido por Compresión de Gasolina (GCI); utiliza HCCI en velocidad de crucero y encendido por chispa en aceleración. Ambos motores se han probado en prototipos del Touran . [ 34 ]
  • En noviembre de 2011, Hyundai anunció el desarrollo del motor GDCI (Gasoline Direct Injection Compression Ignition) en colaboración con Delphi Automotive . [ 35 ] Este motor elimina las bujías y, en su lugar, utiliza un compresor y un turbocompresor para mantener la presión dentro del cilindro. Se prevé que el motor entre en producción comercial próximamente. [ 36 ]
  • En octubre de 2005, el Wall Street Journal informó que Honda estaba desarrollando un motor HCCI como parte de un esfuerzo para producir un automóvil híbrido de próxima generación. [ 37 ]
  • Oxy-Gen Combustion, una empresa de tecnología limpia con sede en el Reino Unido, produjo un concepto de motor HCCI de carga completa con la ayuda de Michelin y Shell. [ 38 ]
  • El motor Skyactiv-G de segunda generación de Mazda tiene una relación de compresión de 18:1 para permitir el uso de la combustión HCCI. [ 39 ] Mazda anunció en agosto de 2017 un modelo de motor llamado Skyactiv-X como un gran avance en la tecnología de motores . [ 40 ]
  • Mazda está llevando a cabo una investigación con HCCI con motores Wankel . [ 41 ]

Producción

  • En marzo de 2021, Mazda anunció dos vehículos del año modelo 2021 con un motor de combustión de 2.0 L con capacidad HCCI y una relación de compresión variable de 16.3:1 a 15.0:1 llamado e-Skyactiv X. [ 42 ]

Otras aplicaciones

Hasta la fecha, pocos prototipos de motores funcionan en modo HCCI, pero la investigación en este campo ha dado lugar a avances en el desarrollo de combustibles y motores. Algunos ejemplos son:

  • Combustión PCCI/PPCI: un sistema híbrido de combustión HCCI y diésel convencional que ofrece mayor control sobre la ignición y las tasas de liberación de calor, con menor emisión de hollín y NO.emisiones x . [ 20 ] [ 21 ]
  • Los avances en la modelización de combustibles demuestran que la combustión HCCI se rige principalmente por la cinética química, en lugar de la mezcla turbulenta o la inyección, lo que reduce la complejidad de simular la química que da lugar a la oxidación del combustible y la formación de emisiones. Esto ha generado un creciente interés y desarrollo de la cinética química que describe la oxidación de hidrocarburos.
  • Aplicaciones de mezcla de combustibles: Gracias a los avances en el modelado de combustibles, ahora es posible realizar simulaciones detalladas de la oxidación de combustibles de hidrocarburos, lo que permite simular combustibles prácticos como la gasolina/diésel [ 17 ] y el etanol [ 19 ] . Los ingenieros ahora pueden mezclar combustibles virtualmente y determinar cómo se comportarán en un motor.

Véase también

Referencias

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  • Investigación realizada en la Universidad RWTH Aachen, Alemania. Archivada el 5 de julio de 2016 en Wayback Machine.
  • Investigación en la Universidad Tecnológica de Eindhoven, Países Bajos
  • Investigación en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, Los Alamos, Nuevo México, EE. UU.

Lecturas adicionales

  • Motor HCCI automotriz archivado el 31/05/2014 en Wayback Machine por Sandia Combustion Research Facility, enero de 2012.