El contingut d’aquest article es basa en l’informe d’avaluació tècnica completat per Roush Industries en nom de CAELP el 2021. Sol·licita sistemàticament les rutes tècniques per a motors eficients de gasolina el 2025 i més enllà, revelant les tecnologies clau per millorar l’eficiència tèrmica i reduir les emissions. Moltes d’aquestes solucions tècniques s’han implementat al mercat actual.
1. Tecnologia de dilució de gas mixta
El valor específic de la relació de calor s’incrementa mitjançant la dilució de l’EGR o l’aire, augmentant així la quantitat de treball transferida pel pistó durant l’ictus d’expansió. La figura següent mostra la influència de la relació de compressió (CR) i el valor 𝛾 sobre l'eficiència de conversió de combustible del cicle de volum constant. El valor 𝛾 de la barreja d'aire és d'aproximadament 1,4, mentre que els valors dels productes de combustió (diòxid de carboni i vapor d'aigua) són més baixos, prop de 1,3. El valor 𝛾 de la barreja de cilindres diluït amb l’aire és més gran en comparació amb la barreja diluïda mitjançant la recirculació de gas d’escapament de refrigeració (CEGR). Això fa que el motor amb combustió magra (dilució d’aire) sigui més eficient sota la mateixa dilució equivalent (és a dir, la relació de combustible amb barreja de gas no combustible al cilindre).
1. Tecnologia de dilució de gas mixta
El valor específic de la relació de calor s’incrementa mitjançant la dilució de l’EGR o l’aire, augmentant així la quantitat de treball transferida pel pistó durant l’ictus d’expansió. La figura següent mostra la influència de la relació de compressió (CR) i el valor 𝛾 sobre l'eficiència de conversió de combustible del cicle de volum constant. El valor 𝛾 de la barreja d'aire és d'aproximadament 1,4, mentre que els valors dels productes de combustió (diòxid de carboni i vapor d'aigua) són més baixos, prop de 1,3. El valor 𝛾 de la barreja de cilindres diluït amb l’aire és més gran en comparació amb la barreja diluïda mitjançant la recirculació de gas d’escapament de refrigeració (CEGR). Això fa que el motor amb combustió magra (dilució d’aire) sigui més eficient sota la mateixa dilució equivalent (és a dir, la relació de combustible amb barreja de gas no combustible al cilindre).
1.1 Reforma especial en cilindres no catalítica (D-GR)
El sistema EGR dedicat desenvolupat per Southwest Research Institute (SWRI). Aquest sistema genera gas reformat amb altes concentracions de H₂ i CO convertint un cilindre en un mode de combustió rica en petroli. Aquests gasos reformadors s’introdueixen als ports d’entrada d’altres cilindres i la combustió completa en la combustió SI [10]. El test de demostració SWRI D-engr es va realitzar al motor aspirat de 2,4 litres a la PFI, naturalment, indica que l’economia de combustible ha millorat més d’un 10% a tota la gamma de funcionament del motor.
1.2 Reforma del bucle de recirculació de gasos catalítics
Un dels cilindres funciona amb una proporció de combustible aeri magre i adopta una tecnologia d'injecció de combustible secundària després de la combustió. El gas d’escapament d’aquest cilindre és tractat pel llit del catalitzador i genera gas reformant ric en hidrogen mitjançant reaccions endotèrmiques. A la prova del motor de 2,0 litres GM ECOTEC LNF DI, quan la velocitat de rotació va assolir 2000 rpm i el valor d’increment va ser de 4 bar, es va aconseguir una concentració d’entrada d’hidrogen del 5%. La proporció de volum de la recirculació de gasos de residus s'ha elevat de menys del 25% a més del 50%. L’eficiència d’aquest motor al punt de funcionament ha augmentat un 8% en comparació amb el valor de referència.
2. Optimització de la proporció d’expansió
Un motor amb una elevada proporció de compressió geomètrica, però una proporció de compressió efectiva inferior a la proporció d'expansió efectiva és una manera efectiva de millorar l'eficiència del motor. En els motors produïts en massa, els cicles de sobreexpansió solen aconseguir-se tancant les vàlvules d’entrada per endavant (EIVC) o endarrerint el tancament de les vàlvules d’entrada. L’ictus d’entrada més curt comporta una reducció de la quantitat de compressió extreta pel motor per cicle, de manera que es necessita un motor de desplaçament més gran per mantenir el mateix nivell/nivell de potència que els motors que no són Atkinson/Miller. Per als motors turboalimentats, es pot compensar la pèrdua de volum d’increment d’entrada augmentant la pressió d’increment. Els motors amb cicles Miller turboalimentats tenen una proporció d’expansió més elevada i temperatures d’escapament més baixes, reduint així la demanda de combustió magra.
Un dels reptes es va enfrontar a l’hora d’adoptar estratègies d’EIVC i LIVC és que la turbulència al final de l’ictus de compressió es debilitarà. La figura 6 següent mostra els canvis en l’energia cinètica turbulenta (TKE) dins del cilindre quan s’adopten estratègies EIVC i LIVC en comparació amb el motor de referència. Aquesta reducció de TKE comportarà una disminució de l'eficiència de la combustió i la inestabilitat de la combustió. En alguns casos, en comparació amb el motor de referència, fins i tot pot provocar una eficiència reduïda i un augment de les emissions.
La figura següent mostra el pla d’optimització de disseny necessari per al motor de tipus B de tercera generació EA888 (2,0 litres de quatre cilindres) per mantenir el nivell de turbulència del cilindre del motor de cicle no molest de generació anterior. Aquest motor adopta la tecnologia EIVC per assolir el cicle Miller i és necessari mantenir la turbulència dins del cilindre i l'eficiència de la combustió mitjançant l'optimització del disseny del motor.
3. Una proporció de cerca de cilindre més petit
La figura següent mostra els canvis en els tres factors principals que determinen la proporció òptima de traça de forts d’un motor: velocitat de pistó, relació de superfície / volum i caiguda de pressió a banda i banda de la vàlvula d’entrada. La proporció òptima de cerca està determinada pels factors següents:
Velocitat mitjana del pistó: com més temps sigui el traç, més gran és la velocitat mitjana del pistó, alhora que limita la velocitat màxima del motor. Tant si es tracta de motors turboalimentats com d’aspiració natural, la majoria d’ells avui dia no han arribat al límit superior de la velocitat mitjana del pistó que la tecnologia actual pot aconseguir (uns 25 m/s).
Característiques de la caiguda de la pressió de la vàlvula d’entrada: els motors amb un gran disseny de proporcions de forat poden augmentar la mida de la vàlvula, formant una àrea de pas de flux més gran (és a dir, la zona de flux), reduint així la caiguda de pressió als dos extrems de la vàlvula i millorant l’eficiència volumètrica. No obstant això, a altes velocitats, l'eficiència volumètrica dels motors de baixa proporció disminuirà, donant lloc a una atenuació prematura del parell i la potència dins del rang de velocitat del motor.
Eficiència de transferència de calor: una proporció de compressió inferior (BSR) reduirà la proporció de superfície i volum de la cambra de combustió (sobretot a prop del centre mort mort de la combustió), debilitant així l'efecte de transferència de calor de la combustió. A mesura que la proporció de compressió augmenta, la proporció de superfície i volum de la cambra de combustió creix, donant lloc a un augment de les pèrdues de transferència de calor i a compensar alguns dels avantatges que aporta la millora de l'eficiència. Aquest efecte és especialment significatiu en els motors del cicle Atkinson-Miller amb relacions de compressió geomètriques extremadament altes.
Resistència a la detonació causada per la distància de propagació de la flama: una proporció de diàmetre del cilindre menor reduirà la distància de propagació de la flama, reduint així el temps d’alliberament de calor (augmentant la proporció de combustió de volum constant). L’escurçament del temps de combustió també reduirà la detonació (el temps perquè el gas terminal arribi a la condició d’encesa d’auto-engetació és més curt). Això fa possible una proporció de compressió més elevada.
La turbulència del cilindre i la velocitat de combustió: a mesura que la velocitat del pistó augmenta, la turbulència al cilindre s’intensifica. Quan el forat i el cop són relativament baixos, sota la mateixa velocitat de rotació i desplaçament, la velocitat de rotació del pistó és realment més alta. Aquesta turbulència millorada pot accelerar la taxa de combustió i reduir la tendència de la detonació (ja que el temps perquè el gas terminal arribi a la condició d’autoenginyeria és més curt). Això permet al motor adoptar una proporció de compressió més alta.
4. Optimització de gestió tèrmica
Un motor SI típic genera una gran quantitat de calor durant la combustió, dels quals aproximadament un terç es transfereix a la paret del cilindre i es perd un altre terç al refrigerant. Les tecnologies clau per reduir la pèrdua de transferència de calor inclouen:
L’augment de la barreja magra retinguda pot reduir la temperatura de combustió, reduint així les pèrdues de transferència de calor
Els motors dissenyats amb una baixa proporció de superfície específica (BSR) poden reduir eficaçment la proporció de superfície i volum de la cambra de combustió, minimitzant encara més les pèrdues de transferència de calor
Sistema de refrigeració dividida: mitjançant la configuració de circuits de refrigeració independents per al bloc del cilindre i la cilindre, es pot mantenir la temperatura de treball òptima de la culata i del bloc del cilindre. Les capçaleres de cilindre a baixa temperatura poden evitar el cop i suportar el funcionament de la proporció de compressió alta. Les parets del cilindre a alta temperatura poden reduir les pèrdues de transferència de calor i la menor fricció. El sistema de refrigeració dividida també pot accelerar el preescalfament de la cambra de combustió, millorar l'estabilitat de la combustió i reduir les emissions durant els inicis del fred.
El recobriment de barrera tèrmica, a través d’una estructura composta de recobriments ceràmics (com la zirconia estabilitzada en YSZ YTTria) i les capes d’enllaç metàl·lic, pot reduir la temperatura de la paret de la cambra de combustió de 150-300 graus i disminuir la pèrdua de calor de conducció a través del bloc del cilindre i el pistó (representant el 25-30% de la pèrdua d’energia total).
Sumari
La figura següent resumeix la influència de diferents tecnologies en cada enllaç del funcionament del motor. La part verda indica efectes positius, mentre que la part vermella presenta impactes negatius. Per exemple, la tecnologia EGR de refrigeració pot millorar la capacitat de calor específica de la barreja al cilindre, reduir les pèrdues de transferència de calor i millorar així l’eficiència del motor. Tanmateix, al mateix temps, aquesta tecnologia tindrà un efecte negatiu sobre l’estabilitat de la combustió i la taxa de combustió. Per tant, combinar-lo amb un sistema d’encesa d’alta energia i un disseny de motors de baixa proporció tindrà més avantatges. Algunes interaccions febles no es mostren a la figura, com la influència de la relació de compressió (sota la mateixa relació de cilindre) en paràmetres com la transferència de calor.
