Ignição de compressão de carga homogênea - Homogeneous charge compression ignition

A ignição por compressão de carga homogênea ( HCCI ) é uma forma de combustão interna na qual o combustível e o oxidante bem misturados (normalmente o ar) são comprimidos até o ponto de autoignição. Como em outras formas de combustão , essa reação exotérmica libera energia que pode ser transformada em um motor em trabalho e calor.

HCCI combina características de motor a gasolina convencional e motores a diesel . Os motores a gasolina combinam carga homogênea (HC) com ignição por centelha (SI), abreviado como HCSI. Os modernos motores a diesel com injeção direta combinam carga estratificada (SC) com ignição por compressão (CI), abreviado como SCCI.

Como no HCSI, o HCCI injeta combustível durante o curso de admissão. No entanto, em vez de usar uma descarga elétrica (faísca) para inflamar uma parte da mistura, o HCCI aumenta a densidade e a temperatura por compressão até que toda a mistura reaja espontaneamente.

A ignição por compressão de carga estratificada também depende do aumento da temperatura e da densidade resultante da compressão. No entanto, ele injeta combustível mais tarde, durante o curso de compressão. A combustão ocorre na fronteira do combustível e do ar, produzindo emissões mais altas, mas permitindo uma queima mais enxuta e com compressão mais alta, produzindo maior eficiência.

O controle de HCCI requer controle do microprocessador e compreensão física do processo de ignição. Os projetos da HCCI alcançam emissões semelhantes às de um motor a gasolina com eficiência semelhante à de um motor a diesel.

Os motores HCCI alcançam níveis extremamente baixos de emissões de óxidos de nitrogênio ( NO
_x) sem um conversor catalítico . Hidrocarbonetos (combustíveis e óleos não queimados) e emissões de monóxido de carbono ainda requerem tratamento para atender aos regulamentos de controle de emissões automotivas .

Uma pesquisa recente mostrou que os combustíveis híbridos combinando diferentes reatividades (como gasolina e diesel) podem ajudar no controle de ignição HCCI e taxas de queima. RCCI, ou ignição por compressão controlada por reatividade , demonstrou fornecer operação altamente eficiente e de baixas emissões em amplas faixas de carga e velocidade.

História

Os motores HCCI têm uma longa história, embora o HCCI não tenha sido tão amplamente implementado como a ignição por centelha ou a injeção de diesel. É essencialmente um ciclo de combustão Otto . O HCCI era popular antes do uso da ignição por centelha eletrônica . Um exemplo é o motor de bulbo quente, que usava uma câmara de vaporização quente para ajudar a misturar o combustível com o ar. O calor extra combinado com a compressão induziu as condições para a combustão. Outro exemplo é o motor de aeronave modelo "diesel" .

Operação

Métodos

Uma mistura de combustível e ar é inflamada quando a concentração e a temperatura dos reagentes são suficientemente altas. A concentração e / ou temperatura podem ser aumentadas de várias maneiras diferentes:

Aumentando a taxa de compressão
Pré-aquecimento de gases de indução
Indução forçada
Gases de exaustão retidos ou re-induzidos

Uma vez aceso, a combustão ocorre muito rapidamente. Quando a autoignição ocorre muito cedo ou com muita energia química, a combustão é muito rápida e altas pressões no cilindro podem destruir um motor. Por esse motivo, o HCCI é normalmente operado com misturas de combustível geral pobres.

Vantagens

Como os motores HCCI são pobres em combustível, eles podem operar em taxas de compressão semelhantes às do diesel (> 15), alcançando eficiências 30% mais altas do que os motores a gasolina SI convencionais.
A mistura homogênea de combustível e ar leva a uma combustão mais limpa e menores emissões. Como as temperaturas de pico são significativamente mais baixas do que em motores SI típicos,Os níveis de NOx são quase desprezíveis. Além disso, a técnica não produz fuligem .
Os motores HCCI podem operar com gasolina, óleo diesel e a maioria dos combustíveis alternativos.
O HCCI evita perdas no acelerador, o que melhora ainda mais a eficiência.

Desvantagens

Atingindo a capacidade de inicialização a frio.
Altas taxas de liberação de calor e aumento de pressão contribuem para o desgaste do motor.
A autoignição é difícil de controlar, ao contrário do evento de ignição nos motores SI e diesel , que são controlados por velas de ignição e injetores de combustível no cilindro, respectivamente.
Os motores HCCI têm uma pequena faixa de torque, restringida em cargas baixas por limites de inflamabilidade magros e cargas altas por restrições de pressão no cilindro.
As emissões de pré-catalisador de monóxido de carbono (CO) e hidrocarboneto (HC) são maiores do que um motor de ignição por centelha típico, causadas por oxidação incompleta (devido ao evento de combustão rápida e baixas temperaturas no cilindro) e gases de fenda aprisionados, respectivamente.

Ao controle

HCCI é mais difícil de controlar do que outros motores de combustão, como SI e diesel. Em um motor a gasolina típico , uma faísca é usada para acender o combustível pré-misturado com o ar. Nos motores a diesel , a combustão começa quando o combustível é injetado no ar pré-comprimido. Em ambos os casos, o tempo de combustão é explicitamente controlado. Em um motor HCCI, entretanto, a mistura homogênea de combustível e ar é comprimida e a combustão começa sempre que pressão e temperatura suficientes são atingidas. Isso significa que nenhum iniciador de combustão bem definido fornece controle direto. Os motores devem ser projetados de forma que as condições de ignição ocorram no tempo desejado. Para alcançar uma operação dinâmica, o sistema de controle deve gerenciar as condições que induzem a combustão. As opções incluem a taxa de compressão, temperatura do gás induzido, pressão do gás induzido, razão combustível-ar ou quantidade de exaustão retida ou reinduzida. Várias abordagens de controle são discutidas abaixo.

Taxa de compressão

Duas taxas de compressão são significativas. A taxa de compressão geométrica pode ser alterada com um êmbolo móvel no topo da cabeça do cilindro . Este sistema é usado em motores de aeronaves modelo diesel . A taxa de compressão efetiva pode ser reduzida da taxa geométrica fechando a válvula de admissão muito tarde ou muito cedo com a atuação da válvula variável ( tempo de válvula variável que permite o ciclo de Miller ). Ambas as abordagens requerem energia para obter uma resposta rápida. Além disso, a implementação é cara, mas eficaz. O efeito da taxa de compressão na combustão HCCI também foi estudado extensivamente.

Temperatura de indução

O evento de autoignição do HCCI é altamente sensível à temperatura. O método de controle de temperatura mais simples usa aquecedores de resistência para variar a temperatura de entrada, mas essa abordagem é muito lenta para mudar em uma frequência de ciclo a ciclo. Outra técnica é o gerenciamento térmico rápido (FTM). É conseguido variando a temperatura de carga de admissão, misturando correntes de ar quente e frio. É rápido o suficiente para permitir o controle ciclo a ciclo. Também é caro de implementar e tem largura de banda limitada associada à energia do atuador.

Porcentagem de gases de escape

O gás de exaustão é muito quente se retido ou re-induzido do ciclo de combustão anterior ou resfriado se recirculado pela admissão como nos sistemas EGR convencionais . O escapamento tem dois efeitos na combustão HCCI. Ele dilui a nova carga, atrasando a ignição e reduzindo a energia química e a potência do motor. Os produtos de combustão quente aumentam inversamente a temperatura do gás no cilindro e avançam a ignição. O controle do tempo de combustão dos motores HCCI usando EGR foi demonstrado experimentalmente.

Atuação de válvula

A atuação da válvula variável (VVA) estende a região de operação HCCI, dando um controle mais preciso sobre o envelope de temperatura-pressão-tempo dentro da câmara de combustão. O VVA pode conseguir isso por meio de:

Controlar a taxa de compressão efetiva: VVA na admissão pode controlar o ponto em que a válvula de admissão fecha. Retardando além do ponto morto inferior (BDC), muda a taxa de compressão, alterando o envelope de tempo de pressão dentro do cilindro.
Controlando a quantidade de gás de exaustão quente retido na câmara de combustão: VVA pode controlar a quantidade de EGR quente dentro da câmara de combustão, seja pela reabertura da válvula ou mudanças na sobreposição da válvula. Equilibrar a porcentagem de EGR externo resfriado com o EGR interno quente gerado por um sistema VVA, torna possível controlar a temperatura dentro do cilindro.

Embora os sistemas VVA eletro-hidráulicos e sem cames ofereçam controle sobre o evento da válvula, os componentes de tais sistemas são atualmente complicados e caros. Os sistemas mecânicos de duração e sustentação variável, entretanto, embora mais complexos do que um valvetrain padrão, são mais baratos e menos complicados. É relativamente simples configurar esses sistemas para obter o controle necessário sobre a curva de elevação da válvula.

Mistura de combustível

Outro meio de estender a faixa de operação é controlar o início da ignição e a taxa de liberação de calor pela manipulação do próprio combustível. Isso geralmente é realizado pela mistura de vários combustíveis "em tempo real" para o mesmo motor. Os exemplos incluem a mistura de gasolina comercial e combustíveis diesel, adotando gás natural ou etanol. Isso pode ser alcançado de várias maneiras:

Mistura a montante: Os combustíveis são misturados na fase líquida, sendo um com baixa resistência à ignição (como o diesel) e outro com maior resistência (gasolina). O tempo de ignição varia com a proporção desses combustíveis.
Mistura na câmara: Um combustível pode ser injetado no duto de admissão (porta de injeção) e o outro diretamente no cilindro.

Injeção direta: PCCI ou PPCI Combustion

A combustão por injeção direta de ignição por compressão (CIDI) é um meio bem estabelecido de controlar o tempo de ignição e a taxa de liberação de calor e é adotada na combustão de motores a diesel . A ignição por compressão de carga parcialmente pré-misturada (PPCI), também conhecida como ignição por compressão de carga pré-misturada (PCCI), é um compromisso que oferece o controle da combustão CIDI com a redução das emissões de gases de escape de HCCI, especificamente menos fuligem . A taxa de liberação de calor é controlada pela preparação da mistura combustível de modo que a combustão ocorra por um período de tempo mais longo, tornando-a menos propensa a batidas . Isso é feito cronometrando o evento de injeção de modo que uma faixa de relações ar / combustível se espalhe pelo cilindro de combustão quando a ignição começar. A ignição ocorre em diferentes regiões da câmara de combustão em momentos diferentes - diminuindo a taxa de liberação de calor. Essa mistura é projetada para minimizar o número de bolsões ricos em combustível, reduzindo a formação de fuligem. A adoção de alto EGR e combustíveis diesel com maior resistência à ignição (mais "semelhante à gasolina") permitem tempos de mistura mais longos antes da ignição e, portanto, menos bolsões ricos que produzem fuligem e NO
_x

Pressão de pico e taxa de liberação de calor

Em um ICE típico, a combustão ocorre por meio de uma chama. Portanto, em qualquer momento, apenas uma fração do total do combustível está queimando. Isso resulta em pressões de pico baixas e taxas de liberação de energia baixas. No HCCI, no entanto, toda a mistura combustível / ar inflama e queima em um intervalo de tempo muito menor, resultando em altas pressões de pico e altas taxas de liberação de energia. Para suportar as pressões mais altas, o motor deve ser estruturalmente mais forte. Várias estratégias foram propostas para reduzir a taxa de combustão e a pressão de pico. A mistura de combustíveis, com diferentes propriedades de autoignição, pode diminuir a velocidade de combustão. No entanto, isso requer uma infraestrutura significativa para ser implementado. Outra abordagem usa a diluição (ou seja, com gases de exaustão) para reduzir a pressão e as taxas de combustão (e produção).

Na abordagem de câmara de combustão dividida [1] , existem duas câmaras de combustão cooperantes: uma pequena auxiliar e uma grande principal.
Uma alta taxa de compressão é usada na câmara de combustão auxiliar.
Uma taxa de compressão moderada é usada na câmara de combustão principal, em que uma mistura homogênea de ar-combustível é comprimida / aquecida perto, mas abaixo, do limite de autoignição.
A alta taxa de compressão na câmara de combustão auxiliar provoca a autoignição da mistura homogênea de ar-combustível pobre (sem necessidade de vela); o gás queimado explode - através de algumas "portas de transferência", pouco antes do TDC - na câmara de combustão principal, disparando sua autoignição.
O motor não precisa ser estruturalmente mais forte.

Poder

Em ICEs, a potência pode ser aumentada pela introdução de mais combustível na câmara de combustão. Esses motores podem suportar um aumento de potência porque a taxa de liberação de calor nesses motores é lenta. No entanto, em motores HCCI, o aumento da razão combustível / ar resulta em maiores pressões de pico e taxas de liberação de calor. Além disso, muitas estratégias viáveis de controle de HCCI requerem pré-aquecimento térmico do combustível, o que reduz a densidade e, portanto, a massa da carga de ar / combustível na câmara de combustão, reduzindo a potência. Esses fatores tornam o aumento da potência dos motores HCCI um desafio.

Uma técnica é usar combustíveis com diferentes propriedades de autoignição . Isso reduz a taxa de liberação de calor e as pressões de pico e torna possível aumentar a razão de equivalência. Outra forma é estratificar termicamente a carga para que diferentes pontos na carga comprimida tenham diferentes temperaturas e queimem em momentos diferentes, diminuindo a taxa de liberação de calor e possibilitando o aumento da potência. Uma terceira maneira é fazer o motor funcionar no modo HCCI apenas em condições de carga parcial e operá-lo como um motor a diesel ou SI em condições de carga mais alta.

Emissões

Como o HCCI opera com misturas pobres, a temperatura de pico é muito mais baixa do que aquela encontrada nos motores SI e diesel. Este baixo pico de temperatura reduz a formação de NO
_x, mas também leva à queima incompleta de combustível, especialmente perto das paredes da câmara de combustão. Isso produz emissões de monóxido de carbono e hidrocarbonetos relativamente altas. Um catalisador oxidante pode remover as espécies reguladas, porque o escapamento ainda é rico em oxigênio.

Diferença de batida

A detonação ou ping do motor ocorre quando alguns dos gases não queimados à frente da chama em um motor SI entram em ignição espontaneamente. Este gás é comprimido conforme a chama se propaga e a pressão na câmara de combustão aumenta. A alta pressão e a correspondente alta temperatura dos reagentes não queimados podem fazer com que eles se acendam espontaneamente. Isso faz com que uma onda de choque atravesse a região do gás final e uma onda de expansão atravesse a região do gás final. As duas ondas refletem fora dos limites da câmara de combustão e interagem para produzir ondas estacionárias de alta amplitude , formando assim um dispositivo termoacústico primitivo onde a ressonância é amplificada pela liberação de calor aumentada durante a viagem das ondas semelhante a um tubo de Rijke .

Um processo de ignição semelhante ocorre em HCCI. No entanto, em vez de parte da mistura de reagente inflamar por compressão à frente de uma frente de chama, a ignição em motores HCCI ocorre devido à compressão do pistão mais ou menos simultaneamente no volume da carga comprimida. Poucas ou nenhuma diferença de pressão ocorre entre as diferentes regiões do gás, eliminando qualquer onda de choque e batida, mas o rápido aumento de pressão ainda está presente e desejável do ponto de se buscar a máxima eficiência da adição de calor isocórica quase ideal.

Simulação de motores HCCI

Os modelos computacionais para simular as taxas de combustão e liberação de calor de motores HCCI requerem modelos químicos detalhados. Isso ocorre principalmente porque a ignição é mais sensível à cinética química do que aos processos de turbulência / spray ou faísca, como são típicos em motores SI e diesel. Modelos computacionais têm demonstrado a importância de levar em conta o fato de que a mistura dentro do cilindro é realmente homogênea, principalmente em termos de temperatura. Esta homogeneidade é impulsionada pela mistura turbulenta e transferência de calor das paredes da câmara de combustão. A quantidade de estratificação de temperatura determina a taxa de liberação de calor e, portanto, a tendência para bater. Isso limita a utilidade de considerar a mistura no cilindro como uma zona única, resultando na integração de códigos de dinâmica de fluidos computacional 3D , como o código KIVA CFD do Los Alamos National Laboratory e códigos de modelagem de função de densidade de probabilidade de resolução mais rápida.

Protótipos

Vários fabricantes de automóveis têm protótipos HCCI em funcionamento.

A motocicleta Honda EXP-2 de 1994 usava "ARC-combustion". Este tinha um motor de dois tempos que usa uma válvula de escape para imitar um modo HCCI. A Honda vendeu um CRM 250 AR.
Em 2007–2009, a General Motors demonstrou a HCCI com um motor Ecotec de 2,2 L modificado instalado no Opel Vectra e no Saturn Aura . O motor opera no modo HCCI em velocidades abaixo de 60 milhas por hora (97 km / h) ou em cruzeiro, mudando para SI convencional quando o acelerador é aberto e produz economia de combustível de 43 milhas por galão imperial (6,6 L / 100 km; 36 mpg _‑US ) e emissões de dióxido de carbono de cerca de 150 gramas por quilômetro, melhorando em relação aos 37 milhas por galão imperial (7,6 L / 100 km; 31 mpg _‑US ) e 180 g / km da versão convencional de 2,2 L de injeção direta . A GM também está pesquisando motores menores da Família 0 para aplicações HCCI. A GM usou o KIVA no desenvolvimento de motores a gasolina de injeção direta e carga estratificada, bem como no motor a gasolina de combustão rápida e carga homogênea.
A Mercedes-Benz desenvolveu um protótipo de motor denominado DiesOtto , com ignição automática controlada. Ele foi exibido em seu carro-conceito F 700 no Salão do Automóvel de Frankfurt de 2007.
A Volkswagen está desenvolvendo dois tipos de motor para operação HCCI. O primeiro, denominado Sistema Combinado de Combustão ou CCS, é baseado no motor diesel de 2.0 litros do Grupo VW, mas usa carga de admissão homogênea. Requer combustível sintético para atingir o benefício máximo. O segundo é chamado de ignição por compressão de gasolina ou GCI; ele usa HCCI ao navegar e ignição por faísca ao acelerar. Ambos os motores foram demonstrados em protótipos Touran .
Em novembro de 2011, a Hyundai anunciou o desenvolvimento do motor GDCI (Gasoline Direct Injection Compression Ignition) em associação com a Delphi Automotive . O motor eliminou completamente as velas de ignição e, em vez disso, utiliza o superalimentador e o turbocompressor para manter a pressão dentro do cilindro. O motor está programado para produção comercial em um futuro próximo.
Em outubro de 2005, o Wall Street Journal relatou que a Honda estava desenvolvendo um motor HCCI como parte de um esforço para produzir um carro híbrido de próxima geração.
A Oxy-Gen Combustion, uma empresa de tecnologia limpa com sede no Reino Unido, produziu um motor conceito HCCI de carga total com a ajuda da Michelin e da Shell.
O SkyActiv -G Geração 2 da Mazda tem uma taxa de compressão de 18: 1 para permitir o uso da combustão HCCI. Um modelo de motor denominado SKYACTIV-X foi anunciado pela Mazda em agosto de 2017 como um grande avanço na tecnologia de motores .
A Mazda está realizando pesquisas com a HCCI com motores Wankel .

Produção

Em março de 2021, a Mazda anunciou dois veículos do ano modelo 2021 com um motor de combustão capaz HCCI 2.0 L com uma taxa de compressão variável de 16.3: 1 a 15.0: 1 chamado de e-Skyactiv X.

Outras aplicações

Até o momento, poucos motores de protótipo funcionam no modo HCCI, mas a pesquisa do HCCI resultou em avanços no desenvolvimento de combustível e motor. Exemplos incluem:

Combustão PCCI / PPCI - Um híbrido de HCCI e combustão diesel convencional que oferece mais controle sobre a ignição e taxas de liberação de calor com menor fuligem e NO
_x emissões.
Avanços na modelagem de combustível - a combustão HCCI é impulsionada principalmente pela cinética química, em vez de mistura ou injeção turbulenta, reduzindo a complexidade da simulação da química, o que resulta na oxidação do combustível e na formação de emissões. Isso levou a um crescente interesse e desenvolvimento da cinética química que descreve a oxidação de hidrocarbonetos.
Aplicações de mistura de combustível - devido aos avanços na modelagem de combustível, agora é possível realizar simulações detalhadas da oxidação de hidrocarbonetos, permitindo simulações de combustíveis práticos, como gasolina / diesel e etanol . Os engenheiros agora podem misturar os combustíveis virtualmente e determinar como eles se comportarão no contexto do motor.

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