Fronteras en Ingeniería Mecánica

Introducción y Breve Historia de los Motores de Encendido por Compresión

Desde que Rudolf Diesel inventó el motor de combustión interna que eventualmente llevaría su nombre, el encendido por compresión se ha utilizado como un medio eficaz y eficiente para iniciar la combustión en motores. Diesel utilizó aceites vegetales para inventar su nuevo motor, ya que no había infraestructura petrolera para combustibles en ese momento. La alta relación de compresión para crear la presión y la temperatura necesarias para el autoencendido era un sello distintivo del motor de encendido por compresión. También se requería un mecanismo para inyectar combustible directamente en la cámara de combustión. A medida que avanzaba el tiempo, se dispuso de una infraestructura de destilados de petróleo para combustibles como la gasolina (para soportar motores de encendido por chispa), el queroseno y el fuel oil (para calentar hogares) y, por supuesto, el combustible diésel (Heywood, 1988).

Las ventajas de usar encendido por compresión e inyección directa de combustible en la cámara de combustión se evidenciaron en las próximas décadas de su desarrollo. El motor de encendido por compresión necesita intrínsecamente una alta relación de compresión para crear las condiciones necesarias para el encendido automático. La alta relación de compresión es una característica de diseño para mejorar la eficiencia. Además, el encendido por compresión no necesitaba regulación para controlar la potencia del motor. La inyección directa del combustible en la cámara de combustión proporciona una alta resistencia al golpe, lo que limita la relación de compresión y, en última instancia, la eficiencia de los motores de encendido por chispa. Una ventaja adicional es que, sin ninguna limitación de golpes, los motores de encendido por compresión pueden tener un aumento generoso de la presión de admisión mediante turbocompresor, lo que aumenta aún más la eficiencia y la densidad de potencia.

En el camino, se encontraron y superaron muchos obstáculos tecnológicos – como la capacidad de fabricar pistones y culatas de cilindro que podrían lograr de manera robusta las relaciones de alta compresión necesarias para el autoencendido diesel, precámaras que podrían aprovechar los inyectores de presión relativamente baja disponibles en la cámara de combustión completa de alta relación de compresión, nueva tecnología de inyección de combustible con combustible de muy alta presión para eliminar la necesidad de precámaras y permitir la inyección directa en la cámara de combustión y, finalmente, los controles y actuadores electrónicos para proporcionar mucho más controles precisos de combustible, aire y emisiones para cumplir con las estrictas exigencias de la regulación de emisiones.

Estado actual de los motores de encendido por compresión

Los motores de encendido por compresión se utilizan en una variedad de aplicaciones comerciales y de consumo en todo el mundo, alimentando dispositivos como barcos grandes, locomotoras, camiones comerciales, equipos de construcción y agrícolas, generadores de energía e incluso automóviles. Casi exclusivamente, estas aplicaciones utilizan combustible diesel para la combustión. Un motor diesel se basa en la facilidad de encendido automático del combustible, una propiedad química que los ingenieros llaman número/índice de cetano, una métrica derivada empíricamente que describe la facilidad de encendido automático del combustible. Los biodiésel también se utilizan en muchas aplicaciones, especialmente en zonas rurales y en países en desarrollo. Los biodieseles generalmente están hechos de aceites vegetales que han sido procesados químicamente para eliminar los productos de glicerina, dejando un éster metílico (o etílico) de ácidos grasos (FAME). Los biodieseles intentan imitar las propiedades del combustible diesel y, si bien se pueden usar como un sustituto de combustible limpio, generalmente se usan como agente de mezcla con diesel de petróleo.

Hay dos enfoques principales para el motor de encendido por compresión: la arquitectura de dos tiempos y la de cuatro tiempos. Los motores de encendido por compresión muy grandes (en particular, los de barcos y locomotoras) tienden a ser de dos tiempos, principalmente porque el régimen del motor se limita a bajas revoluciones por minuto (RPM). Los motores de encendido por compresión de dos tiempos deben tener una fuente externa de suministro de aire, como un turbocompresor o sobrealimentador (o un híbrido de ambos en algunos casos) porque el aire se introduce en el cilindro a través de los orificios de la camisa del cilindro. La Figura 1 muestra esta configuración. El escape se expulsa a través de un conjunto diferente de orificios (versión encendida por chispa) o a través de válvulas de asiento en la culata del cilindro (véase la figura 1). Los puertos de aire de admisión en el revestimiento del cilindro se abren cuando el pistón cae por debajo de ellos en la carrera de potencia, lo que permite que entre aire frío a presión en el cilindro. A medida que las cabezas del pistón se dirigen hacia BDC en la carrera de potencia, las válvulas de escape de la culata comienzan a abrirse y el escape caliente comienza a salir del cilindro a través de las válvulas de escape montadas en la parte superior. A medida que el pistón continúa dirigiéndose hacia BDC, los puertos de admisión en el revestimiento del cilindro se abren, permitiendo que entre aire fresco en el cilindro, lo que obliga al último de los gases de escape a salir de las válvulas de escape superiores. Este proceso de extracción continúa hasta que las válvulas de escape se cierran (en algún momento alrededor de la posición del pistón en BDC). Los puertos de admisión siguen abiertos, por lo que el aire fresco continúa en el cilindro desde el soplador, hasta que el pistón pasa por la parte superior de los puertos de admisión en el revestimiento, atrapando el aire en el cilindro. Luego, este aire se calienta y presuriza hasta que el pistón esté cerca de la CCT. El inyector de combustible crea una pulverización de alta presión en el aire caliente comprimido, causando auto ignición y combustión. El ciclo comienza de nuevo.

Por otro lado, un motor de encendido por compresión de cuatro tiempos funciona induciendo aire del colector de admisión al cilindro durante la carrera de admisión, TDC a BDC (ver Figura 2), luego las válvulas de admisión se cierran y el pistón se mueve hacia TDC mientras comprime el aire a temperatura y presión elevadas. El inyector rocía combustible en la cámara de combustión, se produce la ignición y el pistón se fuerza hacia abajo a alta presión debido a la combustión en lo que se denomina carrera de potencia. Finalmente, las válvulas de escape se abren y el pistón vuelve a la CCT y fuerza los productos de combustión de escape en la carrera de escape. El ciclo se repite a partir de aquí.

Independientemente de si el motor es de dos o cuatro tiempos, la intención es crear aire de alta presión y alta temperatura cerca del final de la parte de compresión del ciclo. El combustible inyectado se expone entonces al aire de alta presión y alta temperatura y se enciende automáticamente muy rápidamente. El retardo entre la inyección de combustible y el autoencendido se denomina retardo de encendido, que normalmente es de unos pocos ángulos de manivela. El combustible continúa inyectándose como un chorro, que tiene una zona de reacción en la periferia del chorro y la reacción es controlada por la difusión de aire en la zona de reacción junto con la difusión de combustible hacia la zona de reacción. Este proceso de difusión ocurre en milisegundos, mientras que las reacciones reales ocurren en la escala de tiempo de microsegundos, por lo que la mecánica de fluidos de difusión controla la velocidad de reacción.

Se ha dedicado un esfuerzo de investigación significativo a estudiar vías para mejorar la eficiencia, la firma de emisiones, la confiabilidad y la potencia de salida de los motores de encendido por compresión. Las empresas de fabricación, las universidades y los laboratorios de investigación han prestado su experiencia, equipo e instalaciones para avanzar en la tecnología de motores de CI. Algunos de estos avances incluyen inyección directa (DI) para eliminar la necesidad de precámaras y reducir la transferencia de calor, diagnósticos ópticos para estudiar la formación de contaminantes en el cilindro, capacidades avanzadas de simulación computacional para predecir y optimizar el rendimiento del motor de CI, un esfuerzo significativo para comprender la química y la composición del combustible para adaptar el funcionamiento del motor de CI a los combustibles disponibles localmente. A medida que los ingenieros y científicos continúan aplicando su experiencia al estudio fundamental de la tecnología de motores de encendido por compresión, no hay duda de que se lograrán avances adicionales.

¿En qué se diferencia el motor CI del Motor SI?

Hay varias razones por las que los motores CI son tan populares en aplicaciones comerciales e industriales. Una razón importante es que la eficiencia de combustible inherente de los motores de encendido por compresión es mayor que la de los motores de encendido por compresión. La naturaleza de la ignición por compresión proporciona algunos factores importantes que permiten una alta eficiencia de combustible. Un factor es la alta relación de compresión(Gill et al., 1954). Dado que los motores de encendido por compresión dependen del combustible inyectado en el cilindro y de la mezcla de este combustible con el aire, se evita el golpe del motor. El golpe del motor es una de las principales limitaciones para una mayor relación de compresión en los motores SI. El segundo factor es la necesidad eliminada de acelerar el motor para controlar la potencia de salida. Una vez más, debido a que el combustible se inyecta directamente y se mezcla en la cámara de combustión, la potencia del motor CI se puede controlar simplemente ajustando la cantidad de combustible que se inyecta, a diferencia de los motores SI donde el combustible y el aire están premezclados y esencialmente homogéneos a una relación de mezcla constante (Heisler, 1999). Esto significa que para mantener constante la relación de mezcla, si se reduce el combustible, el aire también debe reducirse en la misma proporción. Esta gestión del aire se realiza con un acelerador, o restricción de admisión, y crea pérdidas significativas de intercambio de gases o «bombeo». El tercer factor es la transferencia de calor. Los motores de encendido por compresión son capaces de funcionar «sin combustible», lo que significa que el motor consume todo el combustible, pero no todo el oxígeno presente en la cámara de combustión. Esto tiende a producir temperaturas más bajas en el cilindro y, como resultado, un menor rechazo de calor al refrigerante y al escape del motor y una mayor eficiencia. Como beneficio adicional, la gamma o relación de calores específicos Cp / Cv es mayor para los motores de combustión magra que para los motores que funcionan con estequiometría. Se pierde menos energía térmica generada por las reacciones de combustión en los estados de excitación de especies triatómicas más grandes (vapor de CO2 y H2O). Esto significa que hay más energía térmica disponible para elevar la presión y la temperatura del fluido de trabajo, que es lo que crea trabajo que se puede extraer (Foster, 2013).

Sin embargo, también hay varios inconvenientes en el motor de CI que son dignos de mención. El motor CI debe estar diseñado para ser muy robusto para manejar las presiones y temperaturas elevadas creadas por las altas relaciones de compresión y las presiones de admisión aumentadas. Esto produce diseños de motor que tienen una alta inercia de rotación y, posteriormente, limita la velocidad máxima del motor. También eleva el costo, ya que todo el hardware debe ser muy duradero. Otro inconveniente de los motores de encendido por compresión es la firma de emisiones. La dependencia de la combustión controlada por difusión significa que hay una estratificación significativa entre el combustible y el aire, a diferencia de la homogeneidad de las mezclas gasolina/aire en los motores SI. Esta estratificación crea materia particulada (PM) y óxidos de nitrógeno (NOx). Se ha descubierto que estos productos no deseados de la combustión de CI son peligrosos para la salud y perjudiciales para el medio ambiente. En esencia, el motor de CI tradicional no tiene un problema de eficiencia, tiene un problema de emisiones.

¿Qué pasa con los Biocombustibles?

Gran parte del trabajo actual y previsible en los motores de encendido por compresión parece centrarse en el uso de combustibles alternativos o incluso de múltiples combustibles en un esfuerzo por mantener la alta eficiencia (tal vez incluso mejorarla) y, al mismo tiempo, reducir significativamente la firma de emisiones nocivas y la producción de gases de efecto invernadero. Los combustibles de origen biológico son un enfoque popular, especialmente en las economías en desarrollo, para contrarrestar el problema de los gases de efecto invernadero y el costo de las importaciones de petróleo. Los biocombustibles generalmente se fabrican a partir de algún tipo de aceite vegetal y se procesan químicamente para crear un producto que imita al diesel de petróleo de muchas maneras. Se han utilizado varias materias primas de esta manera, dependiendo de las condiciones de crecimiento locales y de los cultivos que prosperan en esas condiciones. Los aceites de soja, canola, semillas de palma, jatrofa y karanja, entre muchos otros, se han procesado como combustibles. En general, los biocombustibles de este tipo se dividen en categorías, los aceites derivados de plantas comestibles y los derivados de plantas no comestibles. Químicamente, el combustible derivado de plantas comestibles es más fácil y de menor costo de procesar en combustibles. Sin embargo, esto también puede crear un desafío de «alimentos o combustible» en la economía local. Los biocombustibles derivados de plantas no comestibles son más difíciles y costosos de procesar, pero tienden a evitar la dificultad de «alimentos o combustible». Un desafío para el combustible biodiesel tradicional es que el combustible en sí contiene oxígeno como parte de su estructura. Este combustible oxigenado tendrá un contenido de energía significativamente reducido en comparación con el diesel de petróleo. Las reducciones de contenido de energía son generalmente del orden del 7-8% en volumen en comparación con el diesel de petróleo. Esto conduce a un mayor volumen de combustible consumido por la misma cantidad de energía suministrada. Se han realizado trabajos más recientes con respecto a los combustibles derivados de algas o de algas, que ofrecen el potencial de un rendimiento mucho mayor que los biocombustibles tradicionales (Frashure et al., 2009). Otro tema de investigación reciente es la creación de diesel «renovable» a partir del procesamiento hidrotermal o de otro tipo de material de biomasa para extraer hidrocarburos de cadena larga similares al combustible diesel de petróleo (Aatola et al., 2008). El diesel renovable no tiende a oxigenarse, por lo que el contenido de energía tiende a ser el mismo que para el diesel de petróleo. Sin embargo, otro enfoque para crear combustible diesel a partir de fuentes renovables y no renovables utiliza un proceso llamado Fischer-Tropsch (FT), llamado así por los inventores alemanes de este proceso en la década de 1930. Los combustibles FT se derivan de metano, carbón gasificado o biomasa gasificada para crear hidrocarburos de cadena larga adecuados para su uso como combustible. Se utilizan varios acrónimos para este tipo de combustible, dependiendo de la materia prima. Gas a líquido (GTL), carbón a líquido (CTL) y biomasa a líquido (BTL) son algunas de estas siglas. El proceso FT crea combustible diésel de muy alta calidad (alto índice de cetano, baja viscosidad, sin azufre y alto contenido de energía), pero el proceso también es complicado y costoso, al menos en la actualidad (Agarwal, 2004).

¿Qué es lo último en motores de encendido por compresión?

Los motores de encendido por compresión se utilizan en todo el mundo como fuentes de energía motriz y estacionaria. A medida que las economías emergentes como India y China aumentan su demanda de transporte y energía eléctrica para satisfacer la demanda económica, hay serias dudas sobre el futuro de los motores de encendido por compresión frente a una regulación ambiental cada vez más estricta, la regulación de los gases de efecto invernadero y la demanda de combustibles fósiles. ¿Existen estrategias que permitan que el motor de CI evolucione para satisfacer estas demandas presentes y futuras del mercado?

Utilizando combustible diesel tradicional, los ingenieros han hecho algunos avances emocionantes en la mejora de la eficiencia y la reducción de emisiones mediante el empleo de tecnología de inyección avanzada como bombas de alta presión common rail, inyectores de combustible piezoaccionados, turbomaquinaria avanzada y recuperación de calor residual (termoeléctricos, etc.), y casi eliminación de azufre en el combustible diesel. El combustible ahora se puede medir con mucha más precisión en la cámara de combustión para crear eventos de combustión más suaves y menos contaminantes. El uso de recirculación de gases de escape (EGR) ha permitido a los ingenieros reducir la concentración de oxígeno del aire de admisión, proporcionando temperaturas de combustión máximas más bajas con reducciones significativas de NOx. Los avances en postratamiento, como los filtros de partículas diésel (DPF), los catalizadores de reducción de NOx (tanto de reducción catalítica selectiva como de trampa magra) y los catalizadores de oxidación diésel (DOC), se utilizan actualmente en los motores de encendido por compresión modernos.

El trabajo de combustión avanzada en curso ha generado interesantes oportunidades para mejorar la eficiencia del motor de CI, así como una mejora significativa en la firma de emisiones. A medida que avanza la investigación, se ha demostrado que es posible mejorar la premezcla de combustible y aire, al tiempo que se conserva la capacidad de controlar la potencia de salida mediante el suministro de combustible (sin estrangulamiento) y retener una alta relación de compresión. Hay una variedad de estrategias que se han empleado para lograr estos objetivos. Uno es el uso de combustible dual, conocido popularmente como encendido por compresión controlado por reactividad (RCCI). En RCCI, un combustible de baja reactividad (como gasolina, etanol o similar) se inyecta en la cámara de combustión como fuente primaria de energía y una cantidad muy pequeña de un combustible de alta reactividad (como diesel, biodiesel, etc.).). Esto no solo permite la capacidad de hacer funcionar el motor magro, lo que reduce las temperaturas de combustión máximas y mejora la eficiencia, sino que también proporciona una estrategia de encendido por chispa para evitar fallos de encendido y mantener una alta robustez. RCCI en motores de investigación ha demostrado la oportunidad de lograr niveles muy altos de eficiencia (principalmente debido a una transferencia de calor aún más reducida que la combustión diesel tradicional) y robustez de control. La principal desventaja de RCCI es el requisito de dos inyectores por cilindro (uno para cada combustible) y el requisito de llevar dos combustibles separados o un aditivo que mejore la reactividad para el combustible de baja reactividad (Curran et al., 2013).

Otra oportunidad interesante en el mundo de los motores de encendido por compresión es el uso de un combustible de reactividad bastante baja(gasolina, nafta, etc.) en comparación con el diesel, pero aún usa un motor con arquitectura de encendido por compresión y utiliza el largo retraso de encendido de estos combustibles para proporcionar un cierto nivel de premezcla mientras conserva suficiente estratificación para proporcionar control de carga (Kalghatgi et al., 2007). El encendido por compresión de gasolina (GCI) o el encendido por compresión parcialmente premezclado (PPCI) intentan lograr el mismo objetivo que el uso de combustible dual de RCCIs, pero para hacerlo estratificando un combustible de manera precisa. Este control de encendido puede ser bastante desafiante en comparación con el RCCI, ya que depende de las características de mezcla de aire/combustible local en constante cambio en lugar de agregar positivamente un combustible de alta reactividad en un momento determinado. La ventaja es que solo se requiere un combustible y un inyector por cilindro.

En cada uno de los casos de RCCI y PPCI, la intención es permitir que se produzca una premezcla suficiente para que los niveles de PARTÍCULAS sean bajos y para operar la combustión lo suficientemente magra o diluida para mantener las temperaturas máximas de combustión por debajo de 2000K, evitando la producción térmica de NOx. La robustez de estos nuevos enfoques para la combustión y la ignición es un desafío al que se están acercando varias organizaciones de investigación de todo el mundo (Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

¿Qué depara el futuro para los Motores de encendido por Compresión?

Al menos a partir de 2015, los motores de encendido por compresión ocupan una posición dominante en los mercados de vehículos comerciales y vehículos todoterreno. A medida que se aplique más presión normativa en todo el mundo a las emisiones de gases de efecto invernadero y la calidad del aire, los motores de encendido por compresión seguirán evolucionando para satisfacer estas presiones. La combinación de la alta densidad de energía de los combustibles líquidos junto con la alta densidad de potencia de los motores de encendido por compresión y el bajo costo de fabricación seguirán convirtiendo a los motores de encendido por compresión en una solución popular para la producción de energía móvil y estacionaria. Se han llevado a cabo investigaciones interesantes en este campo para mejorar la eficiencia, reducir las emisiones y mejorar la tecnología de postratamiento de control de emisiones, y se han logrado enormes avances. Sin embargo, se necesita aún más progreso, ya que la población mundial supera los 7 mil millones de personas y la demanda de energía en los países en desarrollo se dispara. La forma en que resolvamos los desafíos de transporte y energía en las próximas décadas marcará el tono de nuestra capacidad como sociedad para mantener un entorno habitable y un nivel de vida aceptable para una población cada vez mayor en todo el mundo.

Declaración de Conflicto de Intereses

El autor declara que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un conflicto de intereses potencial.

Agradecimientos

El manuscrito enviado ha sido creado por UChicago Argonne, LLC, Operador del Laboratorio Nacional de Argonne («Argonne»). Argonne, un laboratorio científico de la Oficina de Energía del Departamento de Energía de los Estados Unidos, opera bajo el Contrato No. DE-AC02-06CH11357. El Gobierno de los Estados Unidos retiene para sí mismo, y para otros que actúen en su nombre, una licencia mundial no exclusiva e irrevocable pagada en dicho artículo para reproducir, preparar trabajos derivados, distribuir copias al público, y realizar y exhibir públicamente, por o en nombre del Gobierno. Esto no afecta a los derechos de otros de volver a publicar y redistribuir bajo los términos CC-BY (www.creativecommons.org El autor desea agradecer el apoyo financiero de la Oficina de Tecnologías de Vehículos del Departamento de Energía, Programa Avanzado de Combustión de Motores, administrado por el Sr. Gurpreet Singh.