Encendido por compresión carga homogénea

Encendido por compresión carga homogénea (HCCI) es una forma de combustión interna en el cual bien mezclado combustible y oxidante (típicamente de aire) se comprimen hasta el punto de autoinflamación. Como en otras formas de combustión, esto reacción exotérmica libera energía química en forma sensata que puede transformarse en un motor en trabajo y el calor.

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HCCI combina características de convencional motor de gasolina y motores diesel. Motores de gasolina se combinan carga homogénea (HC) con encendido por chispa (SI), abreviado como HCSI. Cosechadora de motores diesel Carga estratificada (SC) con encendido por compresión (CI), abreviado como SCCI.

Al igual que en HCSI, HCCI inyecta combustible durante la carrera de admisión. Sin embargo, en lugar de utilizar una descarga eléctrica (chispa) para encender una porción de la mezcla, HCCI plantea densidad y temperatura de compresión hasta que la mezcla entera reacciona espontáneamente.

Encendido por compresión carga estratificada también se basa en el aumento de temperatura y densidad resultante de la compresión. Sin embargo, inyecta combustible más tarde, durante la carrera de compresión. Combustión se produce en el límite del combustible y del aire, produciendo el aumento de las emisiones, pero permitiendo un Delgado y mayor compresión quemadura, produciendo una mayor eficiencia.

Control HCCI requiere control por microprocesador y comprensión física del proceso de ignición. HCCI diseños alcanzan las emisiones como motor de gasolina con motor diesel-como la eficacia.

Motores HCCI alcanzan niveles extremadamente bajos de (de las emisiones de óxido de nitrógenoNO
x) sin un convertidor catalítico. Las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono incombustos todavía requieren tratamiento para satisfacer regulaciones de emisiones automotrices.

Recientes investigaciones han demostrado que los combustibles híbridos combinando diferentes reactividades (como gasolina y diesel) pueden ayudar en controlar la ignición HCCI y quemar las tasas. RCCI o reactividad encendido por compresión controlada se ha demostrado para proveer una operación altamente eficiente, bajas emisiones más amplia de la carga y gamas de velocidades.

Historia

Los motores HCCI tienen una larga historia, aunque HCCI no ha sido tan ampliamente implementada como encendido por chispa o inyección diesel. Es esencialmente un Ciclo de combustión de Otto. HCCI era popular antes de electrónica encendido por chispa fue utilizado. Un ejemplo es el bombilla caliente-motor que utiliza una cámara de vaporización caliente para ayudar a mezclar el combustible con el aire. El calor extra combinado con la compresión inducida por las condiciones de combustión. Otro ejemplo es el motor de avión modelo "diesel".

Operación

Métodos

Una mezcla de combustible y aire enciende cuando la concentración y la temperatura de los reactantes es suficientemente alta. La concentración o la temperatura puede aumentar en varias maneras diferentes:

• Aumentar la relación de compresión
• Precalentamiento de los gases de la inducción
• Inducción forzada
• Gases de escape retenidas o re exaltado

Una vez encendido, combustión ocurre muy rápidamente. Cuando auto-ignición ocurre demasiado temprano o con demasiada energía química, la combustión es demasiado rápida y las altas presiones en cilindros pueden destruir un motor. Por esta razón, HCCI es operado normalmente en las mezclas de combustible total magro.

Ventajas

• Puesto que los motores HCCI combustible-lean, pueden operar a relaciones de compresión como diesel (> 15), logrando así una mayor eficiencia de 30% que los motores convencionales de gasolina SI.

• Mezcla homogénea de combustible y aire conduce a combustión más limpia y reducir las emisiones. Porque las temperaturas pico son significativamente más bajas que en los motores SI típicos, NOx los niveles son casi insignificantes. Además, la técnica no produce hollín.

• Motores HCCI pueden funcionar con gasolina, combustible diesel y la mayoría de los combustibles alternativos.

• HCCI evita las pérdidas de gas, que mejora aún más la eficiencia.

Desventajas

• Lograr la capacidad de arranque en frío.
• Presiones máximas en cilindros alta pueden dañar el motor.
• Alto calor liberación y presión aumento tarifas contribuyen al desgaste del motor.
• Autoignición es difícil de controlar, a diferencia del evento de ignición en SI y motores diesel, que son controladas por las bujías de encendido y los inyectores de combustible en el cilindro, respectivamente.

• Motores HCCI tienen un rango de energía pequeña, limitado en cargas bajas por los límites de inflamabilidad magra y altas cargas por las restricciones de la presión en el cilindro.

• Monóxido de carbono (CO) y hidrocarburos Las emisiones pre catalizador (HC) son más altas que un motor típico, causado por la oxidación incompleta (debido a la rápida combustión evento y las bajas temperaturas en cilindros) y atrapados los gases de la grieta, respectivamente.

Control

HCCI es más difícil de controlar que otros motores de combustión, como SI y diesel. En un típico motor de gasolina, una chispa se utiliza para encender el combustible premezclado y el aire. En Motores diesel, combustión comienza cuando el combustible se inyecta aire precomprimido. En ambos casos, tiempo de combustión es controlada explícitamente. En un motor HCCI, sin embargo, la mezcla homogénea de combustible y el aire se comprime y combustión comienza cuando se alcanzan suficiente presión y temperatura. Esto significa que ningún iniciador de combustión bien definida proporciona control directo. Los motores deben diseñarse para que se produzcan condiciones de ignición en el momento deseado. Para lograr la operación dinámica, la sistema de control debe administrar las condiciones que inducen la combustión. Las opciones incluyen la relación de compresión, temperatura del gas instalado, presión de gas instalado, aire-combustible o cantidad de escape retenida o re exaltado. Varios métodos de control se discuten más abajo.

Relación de compresión

Dos relaciones de compresión son importantes. El relación de compresión geométrica se puede cambiar con un émbolo movible en la parte superior de la culata. Este sistema se utiliza en diesel motores de avión modelo. El relación de compresión eficaz puede reducirse mediante el cierre de la válvula de admisión ya sea muy tarde o muy temprana con de la proporción geométrica actuación de válvulas variable (sincronización de válvulas variable que permite la Ciclo Miller). Ambos métodos requieren de energía para lograr respuesta rápida. Además, su aplicación es caro, pero es eficaz. El efecto de la relación de compresión en la combustión HCCI también se ha estudiado extensivamente.

Temperatura de inducción

Evento de autoignición de HCCI es altamente sensible a la temperatura. El método más simple de control de temperatura 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. Otra técnica es Administración térmica rápido (FTM). Se logra mediante la variación de la temperatura de carga de entrada mediante la mezcla de corrientes de aire caliente y frío. Es lo suficientemente rápido como para permitir el control de ciclo. También es caro para implementar y ha limitado ancho de banda asociado con la energía del actuador.

Porcentaje de gas de escape

Gas de escape es muy caliente si retenido o re instalado desde el anterior ciclo de combustión o bien si circula a través de la ingesta como en convencionales EGR sistemas. Los gases de escape tiene efectos duales en combustión HCCI. Diluye la carga fresca, retrasando la ignición y la reducción de la energía química y rendimiento del motor. Productos de combustión caliente por el contrario aumentan temperatura del gas en el cilindro y avance encendido. Control de sincronización HCCI de motores de combustión utilizando EGR se ha demostrado experimentalmente.

Accionamiento de la válvula

Actuación de válvulas variable (VVA) extiende la región funcionamiento HCCI dándole más control sobre la temperatura y presión-tiempo envolvente dentro de la cámara de combustión. VVA puede lograrlo mediante cualquiera:

• Controlar la relación de compresión eficaz: VVA de ingesta puede controlar el punto en el cual se cierra la válvula de admisión. Retardar el pasado el punto muerto inferior (BDC), cambia la relación de compresión, alterando la envoltura presión-tiempo en cilindros.
• Controla la cantidad de calor de escape gas retenido en la cámara de combustión: VVA puede controlar la cantidad de EGR caliente dentro de la cámara de combustión, por volver a abrir la válvula o cambios en la superposición de la válvula. Equilibrar el porcentaje de enfriado EGR externo con la caliente EGR interna generada por un sistema VVA, le permite controlar la temperatura en cilindros.

Mientras que sistemas electro-hidráulico y camless VVA ofrecen control sobre el evento de válvula, los componentes para estos sistemas actualmente es complicado y caro. Elevación variable mecánica y sistemas de duración, sin embargo, aunque más compleja que un tren de válvulas estándar, son más baratas y menos complicado. Es relativamente sencillo configurar dichos sistemas para lograr el control necesario sobre la curva de elevación de la válvula.

Mezcla de combustible

Otros medios para extender el rango de operación son controlar la aparición de ignición y la tasa de liberación de calor manipulando el combustible en sí mismo. Esto generalmente se realiza mediante la mezcla de combustibles múltiples "on the fly" para el mismo motor. Los ejemplos incluyen mezcla de comercial gasolina y combustible diesel, adopción de gas natural o etanol ". Esto puede lograrse de muchas maneras:

• Contra la corriente de fusión: combustibles se mezclan en la fase líquida, con resistencia de encendido bajo (como el diesel) y un segundo con una mayor resistencia (gasolina). Ignición sincronización varía con la proporción de estos combustibles.
• En cámara de mezcla: un combustible puede ser inyectado en el conducto de admisión (inyección de puerto) y el otro directamente en el cilindro.

Inyección directa: PCCI o combustión de calidad

Combustión de inyección directa encendido (CIDI) de compresión es un medio de control de encendido y velocidad de liberación de calor bien establecido y se adopta en motor diesel combustión. Parcialmente Pre-Mixed carga de compresión encendido (calidad) también conocido como premezcladas encendido carga de compresión (PCCI) es un compromiso que ofrece el control de la combustión CIDI con el escape reducido las emisiones de gases de HCCI, específicamente bajo hollín. La tasa de liberación de calor se controla mediante la preparación de la mezcla combustible de tal manera que la combustión ocurre sobre una mayor duración de tiempo por lo que es menos propenso a golpeando. Esto se hace al cronometrar el evento inyección así una gama de aire/combustible repartidos en el cilindro de combustión cuando la ignición comienza. Ignición ocurre en diferentes regiones de la cámara de combustión en diferentes momentos - reducir la tasa de liberación de calor. Esta mezcla está diseñada para minimizar el número de bolsillos rica en combustible, reducir la formación de hollín. La adopción de alta EGR y diesel combustibles con una mayor resistencia a la ignición enable (más "gasolina como") más largo tiempos de mezcla antes de la ignición y así menos ricos bolsillos que producen hollín y NO
x

Tasa de liberación de calor y la presión máxima

En un típico hielo, combustión ocurre a través de una llama. Por lo tanto, en cualquier momento, sólo una fracción del total del combustible se quema. Esto resulta en presiones máximas baja y las tasas de liberación de energía baja. En HCCI, sin embargo, la mezcla aire/combustible entero se enciende y se quema en un mucho más pequeño intervalo de tiempo, dando por resultado presiones pico alto y las tasas de liberación de alta energía. Para soportar las presiones más altas, el motor tiene que ser estructuralmente fuerte. Se han propuesto varias estrategias para reducir la tasa de presión de combustión y pico. Mezcla de combustibles, con propiedades diferentes autoignición, puede reducir la velocidad de combustión. Sin embargo, esto requiere importante infraestructura para implementar. Otro enfoque usa dilución (es decir, con los gases de escape) para reducir la presión y la combustión tasas (y salida).

Potencia

En helados, potencia puede aumentarse introduciendo más combustible en la cámara de combustión. Estos motores pueden soportar un aumento en el poder porque la tasa de liberación de calor en estos motores es lenta. Sin embargo, en motores HCCI aumentando el aire/combustible ratio resultado presiones pico elevadas y liberación de calor las tasas. Además, muchas estrategias viables de control HCCI requieren precalentamiento térmica del combustible, que reduce la densidad y por lo tanto, la masa de aire/combustible se carga en la cámara de combustión, la reducción de energía. Estos factores hacen aumentar la potencia en los motores HCCI desafiantes.

Una técnica es usar combustibles con diferentes autoignición propiedades. Esto reduce la tasa de liberación de calor y pico presiones y permite aumentar la relación de equivalencia. Otra forma es térmicamente estratificar la carga para que diferentes puntos de la carga comprimida tienen diferentes temperaturas y Arden en diferentes momentos, bajar la tasa de liberación de calor y por lo que es posible aumentar la potencia. Una tercera manera es hacer funcionar el motor en modo HCCI solamente en condiciones de carga parte y correr como un diesel o SI el motor en condiciones de carga superiores.

Emisiones

Porque HCCI opera en mezclas magras, las temperaturas pico son mucho menores que SI y diesels. Las temperaturas pico baja reduce la formación de NO
x. Sin embargo, las temperaturas pico baja también conducen a la combustión incompleta de combustibles, especialmente cerca de las paredes de la cámara de combustión. Esto conduce a alto monóxido de carbono y las emisiones de hidrocarburos. Un catalizador de oxidación puede eliminar las especies reguladas, porque los gases de escape es rica en oxígeno.

Diferencia de knock

Motor detonaciones o golpeteo ocurre cuando algunos de los gases no quemados por delante de la llama en un motor SI encienden espontáneamente. Este gas se comprime como la llama se propaga y se eleva la presión en la cámara de combustión. La alta presión y alta temperatura correspondiente de reactivo sin quemar pueden causarlos a inflamarse espontáneamente. Esto provoca una onda de choque recorrer desde la región de gas final y una onda de expansión que atraviesan en la región de gas final. Las dos ondas reflejan en los límites de la cámara de combustión e interactúan para producir alta amplitud ondas estacionarias.

Un proceso similar de ignición ocurre en HCCI. Sin embargo, en lugar de parte de la mezcla de reactivo encendido por compresión por delante de un frente de llama, en los motores HCCI inflama debido a la compresión del pistón. Poca o ninguna diferencia de presión se produce entre las diferentes regiones del gas, eliminando cualquier onda de choque y golpeando. Sin embargo, en altas cargas (aire/combustible es decir altos cocientes), golpeando es una posibilidad incluso en HCCI.

Simulación de motores HCCI

Modelos computacionales para simular las tasas de liberación calor y combustión de motores HCCI requieren modelos química detallada. Esto es debido en gran parte encendido es más sensible a la cinética química que los procesos de turbulencia/pulverización o chispa como son típicos en motores diesel y SI. Modelos computacionales han demostrado la importancia de la contabilidad para el hecho de que la mezcla en el cilindro es en realidad en homogéneo, particularmente en términos de temperatura. Esta homogeneidad en es conducida por transferencia de calor y mezcla turbulenta de las paredes de la cámara de combustión. La cantidad de estratificación de la temperatura determina la tasa de liberación de calor y por lo tanto tendencia a golpear. Esto limita la utilidad de considerar la mezcla en cilindros como una única zona, resultando en la integración de 3D dinámica de fluidos computacional códigos tales como Los Alamos National Laboratory KIVA CFD código y más rápido para resolver la función de densidad de probabilidad modelado códigos.

Prototipos

A partir de 2012, motores HCCI no fueron producidos en escala comercial. Sin embargo, varios fabricantes de automóviles tuvieron funcionamiento prototipos HCCI.

• En 2007-2009, General Motors HCCI demostrada con un modificado 2.2L Motor ECOTEC instalado en Opel Vectra y Saturn Aura. El motor funciona en modo HCCI a velocidades por debajo de 60 millas por hora (97 km/h) o al crucero, cambiando a SI convencional cuando el acelerador se abre y produce la economía de combustible de 43 millas por galón imperial (6,6 L/100 km; 36 mpg_{-ESTADOS UNIDOS}) y las emisiones de dióxido de carbono de unos 150 gramos por kilómetro, mejorando las 37 millas por galón imperial (7,6 L/100 km; 31 mpg_{-ESTADOS UNIDOS}) y 180 g/km de lo convencional 2.2 L inyección directa Versión. GM también está investigando más pequeño Familia 0 motores para aplicaciones HCCI. GM se ha utilizado KIVA en el desarrollo de motores de gasolina de inyección directa, estratificado carga así como la quemadura rápida, motor de gasolina de carga homogénea.
• Mercedes-Benz desarrollado un motor prototipo llamado DiesOtto, con encendido automático controlado. Fue exhibida en su F 700 coche de concepto en el salón del automóvil de Frankfurt 2007.
• Volkswagen se están desarrollando dos tipos de motor para funcionamiento HCCI. El primero, llamado sistema combinado de combustión o CCS, se basa en el motor de diesel de 2.0 litros de VW Group, pero utiliza carga homogénea de la ingesta. Se requiere combustible sintético para lograr el máximo beneficio. La segunda se llama gasolina encendido por compresión o GCI; usa HCCI al crucero y chispa de ignición al acelerar. Ambos motores se han demostrado en Touran prototipos y la compañía espera que se preparen para la producción en aproximadamente en 2015.
• En octubre de 2005, el Wall Street Journal informó que Honda estaba desarrollando un motor HCCI como parte de un esfuerzo para producir un coche híbrido que la próxima generación.
• Oxy-Gen combustión, una compañía de tecnología limpia en el Reino Unido, produjo un motor a plena carga HCCI concepto con la ayuda de Michelin y Shell.
• Mazda SkyActiv-G Generation 2 tiene un ratio de compresión de 18:1 para permitir el uso de la combustión HCCI.

Otras aplicaciones

Hasta la fecha, pocos motores prototipo ejecutan en modo HCCI; Sin embargo, investigaciones HCCI dio lugar a avances en el desarrollo de motor y combustible. Los ejemplos incluyen:

• Combustión PCCI/calidad — un híbrido de HCCI y combustión de diesel convencional ofrece más control de encendido y las tasas de liberación con hollín inferior del calor y NO
  x emisiones.
• Los avances en la modelización de combustible — combustión HCCI es impulsado principalmente por cinética química en lugar de mezcla turbulenta o inyección, reduciendo la complejidad de la simulación de la química, que se traduce en la formación de oxidación y las emisiones de combustible. Esto ha llevado a aumentar el interés y desarrollo de la cinética química que describen la oxidación de hidrocarburos.
• Combustible mezcla aplicaciones — debido a los avances en la modelización de combustible, ahora es posible llevar a cabo simulaciones detalladas de la oxidación de combustible de hidrocarburos, que permite simulaciones de prácticas combustibles como gasolina y diesel y etanol. Ingenieros pueden ahora prácticamente se mezclan combustibles y determinar cómo actuarán en un contexto de motor.

Véase también

• Motor Mercedes DiesOtto
• Motor de combustión interna
• Motor de gasolina
• Motor diesel
• Motor de pistones libres
• Sincronización de válvulas variable
• Árbol de levas helicoidal

Enlaces externos

• Investigaciones, publicaciones Universidad de Lund, SE
• Investigación en Chalmers University of Technology, SE
• Investigación en la Universidad de Stanford, Estados Unidos
• Investigaciones, publicaciones de la Universidad de Wisconsin, Madison, Estados Unidos
• Investigación en la Universidad de California, Berkeley, Estados Unidos
• Investigación de la Universidad de Cambridge, Reino Unido
• Investigación en la Universidad RWTH Aachen, Alemania
• Investigación en la Universidad Tecnológica de Eindhoven, Holanda
• Investigación en Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, nuevo México, Estados Unidos

Lectura adicional

• Motor HCCI automotriz por centro de investigación de combustión Sandia, enero de 2012.

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