Ignición por compresión de carga homogénea

Forma de combustión interna

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

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

Al igual que en el HCSI, el 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 HCCI aumenta la densidad y la temperatura mediante compresión hasta que toda la mezcla reacciona de forma espontánea.

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

Para controlar el HCCI se requiere el control del microprocesador y la comprensión física del proceso de encendido. 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 ( NO
_incógnita) sin convertidor catalítico . Las emisiones de hidrocarburos (combustibles y aceites no quemados) y monóxido de carbono aún requieren tratamiento para cumplir con las normas de control de emisiones de los 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 y las tasas de combustión del HCCI. Se ha demostrado que el RCCI, o encendido por compresión controlado por reactividad , proporciona un funcionamiento altamente eficiente y con 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. Es esencialmente un ciclo de combustión Otto . El HCCI era popular antes de que se usara el encendido electrónico por chispa. Un ejemplo es el motor de bulbo caliente que usaba una cámara de vaporización caliente para ayudar a mezclar el combustible con el aire. El calor adicional combinado con la compresión inducía las condiciones para la combustión. Otro ejemplo es el motor de aeromodelismo "diésel" .

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 gases de inducción
• Inducción forzada
• Gases de escape retenidos o reinducidos

Una vez encendido, la combustión se produce muy rápidamente. Cuando el autoencendido se produce demasiado pronto o con demasiada energía química, la combustión es demasiado rápida y las altas presiones en el cilindro pueden destruir un motor. Por este motivo, el HCCI suele funcionar con mezclas de combustible generales pobres.

Ventajas

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

Desventajas

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

Control

El HCCI es más difícil de controlar que otros motores de combustión, como el SI y el diésel. En un motor de gasolina típico , se utiliza una chispa para encender el combustible y el aire premezclados. En los motores diésel , la combustión comienza cuando el combustible se inyecta en aire precomprimido. En ambos casos, el tiempo de 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 alcanza la presión y la temperatura suficientes. Esto significa que ningún iniciador de combustión bien definido proporciona un control directo. Los motores deben diseñarse de modo 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 inducido, la presión del gas inducido, la relación combustible-aire o la cantidad de escape retenido o reinducido. A continuación se analizan varios enfoques de control.

Relación de compresión

Dos relaciones de compresión son significativas. La relación de compresión geométrica se puede cambiar con un émbolo móvil en la parte superior de la culata . Este sistema se utiliza en motores de aviones modelo diésel . La relación de compresión efectiva se puede reducir a partir de la relación geométrica cerrando la válvula de admisión muy tarde o muy temprano con actuación de válvula variable ( sincronización variable de válvulas que permite el ciclo Miller ). Ambos enfoques requieren energía para lograr una respuesta rápida. Además, la implementación es costosa, pero es 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 en una frecuencia de ciclo a ciclo. ^[11] Otra técnica es la gestión térmica rápida (FTM). Se logra variando la temperatura de carga de admisión mezclando corrientes de aire caliente y frío. Es lo suficientemente rápido para permitir el control de ciclo a ciclo. ^[12] También es costoso 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. Los productos de combustión calientes aumentan, por el contrario, la temperatura del gas en el cilindro y adelantan la ignición. Se ha demostrado experimentalmente el control de la sincronización de la combustión en motores HCCI mediante EGR. ^[13]

Accionamiento de válvulas

La actuación variable de válvulas (VVA) amplía la región operativa del HCCI al brindar un control más preciso sobre la envolvente de temperatura-presión-tiempo dentro de la cámara de combustión. La VVA puede lograr esto mediante:

• Control de la relación de compresión efectiva: el VVA en la admisión puede controlar el punto en el que se cierra la válvula de admisión. La desaceleración más allá del punto muerto inferior (BDC) cambia la relación de compresión, alterando la relación presión-tiempo dentro del cilindro.
• Control de la cantidad de gases de escape calientes retenidos en la cámara de combustión: el VVA puede controlar la cantidad de EGR caliente dentro de la cámara de combustión, ya sea mediante la reapertura de la válvula o mediante cambios en la superposición de válvulas. Al equilibrar el porcentaje de EGR externo enfriado con el EGR interno caliente generado por un sistema VVA, es posible controlar la temperatura en el cilindro.

Si bien los sistemas VVA electrohidráulicos y sin levas ofrecen control sobre el evento de la válvula, los componentes para tales sistemas son actualmente complicados 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 menos complicados. Es relativamente simple configurar tales sistemas para lograr el control necesario sobre la curva de elevación de la válvula.

Mezcla de combustible

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

• Mezcla en fase inicial: los combustibles se mezclan en fase líquida, uno con baja resistencia a la ignición (como el diésel) y otro con mayor resistencia (la gasolina). El tiempo de ignición varía con la proporción de estos combustibles.
• Mezcla en la cámara: se puede inyectar un combustible 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 con encendido por compresión (CIDI) es un método bien establecido para controlar el tiempo de encendido y la tasa de liberación de calor, y se adopta en la combustión de motores diésel . El encendido por compresión con carga premezclada parcialmente (PPCI), también conocido como encendido por compresión con carga premezclada (PCCI), es un compromiso que ofrece el control de la combustión CIDI con las emisiones de gases de escape reducidas de HCCI, específicamente menos 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 largo, lo que la hace menos propensa a la detonación . Esto se hace cronometrando el evento de inyección de tal manera que un rango de relaciones aire/combustible se distribuya a través del cilindro de combustión cuando comienza el encendido. El encendido se produce en diferentes regiones de la cámara de combustión en diferentes momentos, lo que reduce la tasa de liberación de calor. Esta mezcla está diseñada para minimizar la cantidad de bolsas ricas en combustible, lo que reduce la formación de hollín. ^[21] La adopción de combustibles diésel y de alta EGR con una mayor resistencia al encendido (más "similares a la gasolina") permite tiempos de mezcla más largos antes del encendido y, por lo tanto, menos bolsas ricas que producen hollín y NO
_incógnita^{[20] [21]}

Presión máxima y tasa de liberación de calor

En un motor de combustión interna típico, la combustión se produce a través de una llama. Por lo tanto, en cualquier momento, solo se quema una fracción del combustible total. Esto da como resultado presiones pico bajas y tasas de liberación de energía bajas. Sin embargo, en un motor HCCI, toda la mezcla de combustible y aire se enciende y se quema en un intervalo de tiempo mucho más pequeño, lo que da como resultado presiones pico altas y tasas de liberación de energía altas. Para soportar las presiones más altas, el motor debe ser estructuralmente más fuerte. Se han propuesto varias estrategias para reducir la tasa de combustión y la presión pico. Mezclar combustibles, con diferentes propiedades de autoignición, puede reducir la velocidad de combustión. ^[22] Sin embargo, esto requiere una infraestructura significativa para implementarse. Otro enfoque utiliza la dilución (es decir, con gases de escape) para reducir la presión y las tasas de combustión (y la salida). ^[23]

En el enfoque de cámara de combustión dividida [1], hay dos cámaras de combustión que cooperan: una auxiliar pequeña y una principal grande.
Se utiliza una alta relación de compresión en la cámara de combustión auxiliar.
Se utiliza una relación de compresión moderada en la cámara de combustión principal, en la que se comprime/calienta una mezcla homogénea de aire y combustible 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 que contiene (no se requiere bujía); el gas quemado estalla -a través de algunos "puertos de transferencia", justo antes del PMS- en la cámara de combustión principal, lo que desencadena su autoignición.
El motor no necesita ser estructuralmente más fuerte.

Fuerza

En los motores de combustión interna, la potencia se puede aumentar introduciendo más combustible en la cámara de combustión. Estos motores pueden soportar un aumento de potencia porque la tasa de liberación de calor en estos motores es lenta. Sin embargo, en los motores HCCI, aumentar la relación combustible/aire da como resultado presiones máximas y tasas de liberación de calor más altas. Además, muchas estrategias viables de control de HCCI requieren un precalentamiento térmico del combustible, lo que reduce la densidad y, por lo tanto, la masa de la carga de aire/combustible en la cámara de combustión, lo que reduce la potencia. Estos factores hacen que aumentar la potencia en los motores HCCI sea un desafío.

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 modo que los diferentes puntos de la carga comprimida tengan diferentes temperaturas y se quemen en diferentes momentos, 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 altas. ^[25]

Emisiones

Debido a que el HCCI funciona con mezclas pobres, la temperatura máxima es mucho más baja que la que se encuentra en los motores de encendido por chispa y diésel. Esta baja temperatura máxima reduce la formación de NO
_incógnita, pero también provoca una combustión incompleta del combustible, especialmente cerca de las paredes de la cámara de combustión. Esto produce emisiones relativamente altas de monóxido de carbono e hidrocarburos. Un catalizador oxidante puede eliminar las especies reguladas, porque el escape aún es rico en oxígeno.

Diferencia de golpe

El golpeteo o ruido metálico 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 encienden 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 correspondiente alta temperatura de los reactivos no quemados pueden hacer que se enciendan espontáneamente. Esto hace que una onda de presión atraviese la región de gas final y una onda de expansión atraviese la región de gas final. Las dos ondas se reflejan en los límites de la cámara de combustión e interactúan para producir ondas estacionarias de alta amplitud , formando así un dispositivo termoacústico primitivo donde la resonancia se amplifica por la mayor liberación de calor durante el recorrido de la onda, de manera similar a un tubo de Rijke .

En los motores HCCI se produce un proceso de ignición similar. Sin embargo, en lugar de que una parte de la mezcla de reactivos se encienda por compresión antes de un frente de llama, la ignición en los motores HCCI se produce debido a la compresión del pistón de forma más o menos simultánea en la mayor parte de la carga comprimida. Se producen pocas o ninguna diferencia de presión entre las diferentes regiones del gas, lo que elimina cualquier onda de choque y detonación, pero el aumento rápido de la presión sigue estando presente y es deseable desde el punto de vista de buscar la máxima eficiencia a partir de una adición de calor isocórica casi ideal.

Simulación de motores HCCI

Los modelos computacionales para simular las tasas de combustión y liberación de calor de los motores HCCI requieren modelos químicos detallados. ^{[17] [26] [27]} Esto se debe en gran medida a que la ignición es más sensible a la cinética química que a los procesos de turbulencia/pulverización o chispa, como son típicos en los motores SI y diésel. Los modelos computacionales han demostrado la importancia de tener en cuenta el hecho de que la mezcla en el cilindro es en realidad 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 dicta la tasa de liberación de calor y, por lo tanto, la tendencia al golpeteo. ^[28] Esto limita la utilidad de considerar la mezcla en el 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 Álamos y códigos de modelado de funciones de densidad de probabilidad de resolución más rápida. ^{[29] [30]}

Prototipos

Varios fabricantes de automóviles tienen prototipos HCCI en funcionamiento.

• La motocicleta Honda EXP-2 de 1994 utilizaba "combustión ARC". Este motor de dos tiempos utiliza una válvula de escape para imitar el modo HCCI. Honda vendió una CRM 250 AR.
• En 2007-2009, General Motors demostró HCCI con un motor Ecotec 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 cuando navega, cambiando a SI convencional cuando se abre el acelerador y produce una economía de combustible de 43 millas por galón imperial (6,6 L/100 km; 36 mpg _-US ) 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 _-US ) y 180 g/km de la versión convencional de inyección directa de 2,2 L. ^[32] GM también está investigando motores Familia 0 más pequeños para aplicaciones HCCI. GM ha utilizado KIVA en el desarrollo de motores de gasolina de carga estratificada e inyección directa, así como en el motor de gasolina de carga homogénea y combustión rápida. ^[30]
• Mercedes-Benz desarrolló un prototipo de motor llamado DiesOtto , con encendido automático controlado, que se exhibió en su prototipo F 700 en el Salón del Automóvil de Frankfurt de 2007. ^[33]
• Volkswagen está desarrollando dos tipos de motores para el funcionamiento con HCCI. El primero, llamado Sistema de Combustión Combinada o 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 lograr el máximo beneficio. El segundo se llama Encendido por Compresión de Gasolina o GCI; utiliza HCCI cuando se conduce a velocidad de crucero y encendido por chispa cuando se acelera. Ambos motores se han demostrado en prototipos del Touran . ^[34]
• En noviembre de 2011, Hyundai anunció el desarrollo del motor GDCI (gasolina con inyección directa y encendido por compresión) en asociación con Delphi Automotive . ^[35] El motor eliminó las bujías de encendido y, en su lugar, utiliza tanto un sobrealimentador como un turbocompresor para mantener la presión dentro del cilindro. El motor está programado para su producción comercial en un futuro próximo. ^[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 motor conceptual HCCI de carga completa con la ayuda de Michelin y Shell. ^[38]
• El motor Skyactiv-G Generación 2 de Mazda tiene una relación de compresión de 18:1 para permitir el uso de la combustión HCCI. ^[39] En agosto de 2017, Mazda anunció un modelo de motor llamado Skyactiv#Skyactiv-X como un gran avance en la tecnología de motores . ^[40]
• Mazda está realizando investigaciones con HCCI con motores Wankel . ^[41]

Producción

• En marzo de 2021, Mazda anunció dos vehículos del año modelo 2021 con un motor de combustión con capacidad HCCI de 2.0 L con 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 como resultado avances en el desarrollo de combustibles y motores. Algunos ejemplos son:

• Combustión PCCI/PPCI: un híbrido de HCCI y combustión diésel convencional que ofrece más control sobre las tasas de ignición y liberación de calor con menos hollín y NO
  _incógnitaemisiones. ^{[20] [21]}
• Avances en el modelado de combustibles: la combustión con hidrocarburos hidrocarbonados se basa principalmente en la cinética química, en lugar de en la mezcla turbulenta o la inyección, lo que reduce la complejidad de la simulación de la química, que da como resultado 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 los hidrocarburos.
• Aplicaciones de mezcla de combustibles: debido a los avances en el modelado de combustibles, ahora es posible realizar simulaciones detalladas de la oxidación de combustibles de hidrocarburos, lo que permite simulaciones de combustibles prácticos como gasolina/diésel ^[17] y etanol . ^[19] Los ingenieros ahora pueden mezclar combustibles virtualmente y determinar cómo funcionarán en un contexto de motor.

Véase también

• Motor Mercedes DiesOtto
• Mazda Skyactiv-X
• Motor de combustión interna
• Motor de gasolina
• Motor diésel
• Motor de pistón libre
• Sincronización variable de válvulas
• Árbol de levas helicoidal

Referencias

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Enlaces externos

• Investigación, publicaciones en la Universidad de Lund, SE
• Investigación en la Universidad Tecnológica de Chalmers, SE
• Investigación en la Universidad de Stanford, EE.UU. Archivado el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine.
• Investigación, publicaciones en la Universidad de Wisconsin, Madison, EE. UU. Archivado el 15 de diciembre de 2018 en Wayback Machine.
• Investigación en la Universidad de California, Berkeley, EE.UU.
• Investigación en la Universidad de Cambridge, Reino Unido
• Investigación en la Universidad RWTH de Aachen, Alemania Archivado 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 Álamos, Los Álamos, Nuevo México, EE.UU.

Lectura adicional

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