Frontiere in Ingegneria Meccanica

Introduzione e Breve Storia dei Motori ad Accensione per Compressione

fin da Rudolf Diesel inventò il motore a combustione interna che alla fine portano il suo nome, ad accensione per compressione è stato utilizzato come un mezzo efficace ed efficiente per avviare la combustione nei motori. Diesel utilizzato oli vegetali per inventare il suo nuovo motore, dal momento che non vi era alcuna infrastruttura di petrolio per i combustibili in quel momento. Il rapporto di compressione elevato per creare la pressione e la temperatura richieste per l’autoaccensione era un segno distintivo del motore ad accensione spontanea. Era anche necessario un meccanismo per iniettare direttamente il carburante nella camera di combustione. Col passare del tempo, un’infrastruttura di distillati di petrolio divenne disponibile per combustibili come benzina (per supportare i motori ad accensione comandata), cherosene e olio combustibile (riscaldamento delle case) e, naturalmente, gasolio (Heywood, 1988).

I vantaggi dell’uso dell’accensione per compressione e dell’iniezione diretta di carburante nella camera di combustione si sono evidenziati nei prossimi decenni del suo sviluppo. Il motore ad accensione spontanea ha intrinsecamente bisogno di un rapporto di compressione elevato per creare le condizioni necessarie per l’autoaccensione. Il rapporto di compressione elevato è una caratteristica di progettazione per migliorare l’efficienza. Inoltre, l’accensione per compressione non richiedeva alcuna limitazione per controllare la potenza del motore. L’iniezione diretta del carburante nella camera di combustione ha fornito un’elevata resistenza al colpo, che limita il rapporto di compressione e, in definitiva, l’efficienza dei motori ad accensione comandata. Un ulteriore vantaggio è che, senza alcuna limitazione di colpo, i motori ad accensione spontanea possono avere generose pressioni di aspirazione tramite turbocompressione, aumentando ulteriormente l’efficienza e la densità di potenza.

Lungo la strada ci sono molti ostacoli tecnologici si sono incontrate e superate, come la capacità di fabbricare pistoni e teste dei cilindri che potrebbe robustamente raggiungere l’alta compressioni rapporti necessari per il gasolio auto-accensione, prechambers che potrebbe sfruttare la relativamente bassa pressione iniettori disponibile in alto rapporto di compressione completo di camera di combustione, la nuova tecnologia di iniezione carburante con carburante ad alta pressione per eliminare la necessità di prechambers e consentire a iniezione diretta in camera di combustione, e, infine, i sistemi di controllo elettronico di attuatori per fornire molto di più controlli precisi del carburante, dell’aria e delle emissioni per soddisfare le rigorose esigenze della regolamentazione delle emissioni.

Stato attuale dei motori ad accensione spontanea

I motori ad accensione spontanea sono utilizzati in una varietà di applicazioni commerciali e di consumo in tutto il mondo, alimentando dispositivi come grandi navi, locomotive, camion commerciali, attrezzature da costruzione e agricole, generatori di energia e persino automobili. Quasi esclusivamente, queste applicazioni utilizzano gasolio per la combustione. Un motore diesel si basa sulla facilità di autoaccensione del carburante, una proprietà chimica ingegneri chiamano cetano numero/indice-una metrica empiricamente derivato che descrive la facilità di autoaccensione del carburante. I biodiesel sono utilizzati anche in molte applicazioni, specialmente nelle zone rurali e nei paesi in via di sviluppo. I biodiesel sono generalmente costituiti da oli vegetali che sono stati trattati chimicamente per rimuovere i prodotti di glicerina, lasciando un estere metilico (o etilico) di acido grasso (FAME). I biodiesel tentano di imitare le proprietà del gasolio e, mentre possono essere utilizzati come sostituto del carburante pulito, sono generalmente utilizzati come agente di miscelazione con il gasolio di petrolio.

Esistono due approcci principali al motore ad accensione spontanea: l’architettura a due tempi e quella a quattro tempi. I motori CI molto grandi (nave e locomotiva, in particolare) tendono ad essere a due tempi, principalmente perché il regime del motore è limitato a bassi giri al minuto (RPM). I motori CI a due tempi devono avere una fonte esterna di alimentazione dell’aria, come un turbocompressore o un compressore (o un ibrido di entrambi in alcuni casi) perché l’aria viene forzata nel cilindro tramite le porte nel rivestimento del cilindro. Figura 1 mostra questa configurazione. Lo scarico viene espulso attraverso un diverso set di porte (versione a scintilla accesa) o attraverso valvole a fungo nella testa del cilindro (vedi Figura 1). Le porte dell’aria di aspirazione nel rivestimento del cilindro si aprono quando il pistone scende sotto di loro nella corsa di potenza, consentendo all’aria pressurizzata e fresca nel cilindro. Mentre il pistone si dirige verso BDC nella corsa di potenza, le valvole di scarico nella testa del cilindro iniziano ad aprirsi e lo scarico caldo inizia a lasciare il cilindro tramite le valvole di scarico montate in alto. Mentre il pistone continua a dirigersi verso il BDC, le porte di aspirazione nel rivestimento del cilindro si aprono, consentendo all’aria fresca di entrare nel cilindro, che forza l’ultimo scarico dalle valvole di scarico superiori. Questo processo di scavenging continua fino a quando le valvole di scarico si chiudono (a volte intorno alla posizione del pistone al BDC). Le porte di aspirazione sono ancora aperte, quindi l’aria fresca continua nel cilindro dal ventilatore, fino a quando il pistone passa la parte superiore delle porte di aspirazione sul rivestimento, intrappolando l’aria nel cilindro. Quindi, questa aria viene riscaldata e pressurizzata fino a quando il pistone è vicino al PMS. L’iniettore di combustibile crea uno spruzzo ad alta pressione nell’aria compressa calda, causando l’autoaccensione e la combustione. Il ciclo quindi ricomincia.

D’altra parte, un motore ad accensione spontanea a quattro tempi funziona inducendo aria dal collettore di aspirazione nel cilindro durante la corsa di aspirazione, PMS a BDC (vedi Figura 2), quindi le valvole di aspirazione si chiudono e il pistone si sposta indietro verso PMS mentre comprime l’aria a temperatura e pressione elevate. L’iniettore spruzza carburante nella camera di combustione, si verifica l’accensione e il pistone viene forzato verso il basso ad alta pressione a causa della combustione in quella che viene chiamata corsa di potenza. Infine, le valvole di scarico si aprono e il pistone ritorna al PMS e costringe i prodotti della combustione di scarico nella corsa di scarico. Il ciclo si ripete quindi da qui.

Indipendentemente dal fatto che il motore sia a due o quattro tempi, l’intento è quello di creare aria ad alta pressione e ad alta temperatura vicino alla fine della porzione di compressione del ciclo. Il carburante iniettato viene quindi esposto all’aria ad alta pressione e ad alta temperatura e si accende automaticamente molto rapidamente. Il ritardo tra l’iniezione di carburante e l’autoaccensione è chiamato come il ritardo di accensione, che è tipicamente un paio di angoli di manovella. Il carburante continua ad essere iniettato come un getto, che ha una zona di reazione sulla periferia del getto e la reazione è controllata dalla diffusione dell’aria nella zona di reazione accoppiata con la diffusione del carburante verso l’esterno nella zona di reazione. Questo processo di diffusione avviene in millisecondi, mentre le reazioni effettive avvengono sulla scala temporale del microsecondo, quindi la meccanica dei fluidi di diffusione sta controllando la velocità di reazione.

È stato speso un notevole sforzo di ricerca per studiare percorsi per migliorare l’efficienza, la firma delle emissioni, l’affidabilità e la potenza dei motori CI. Aziende manifatturiere, università e laboratori di ricerca hanno prestato la loro esperienza, attrezzature e strutture per far progredire la tecnologia dei motori CI. Alcuni di questi progressi includono iniezione diretta (DI)per eliminare la necessità di precamere e ridurre il trasferimento di calore, diagnostica ottica per studiare la formazione di inquinanti in cilindro, avanzate capacità di simulazione computazionale per prevedere e ottimizzare le prestazioni del motore CI, sforzo significativo per comprendere la chimica del carburante e la composizione per adattare il funzionamento del motore CI ai combustibili Mentre ingegneri e scienziati continuano ad applicare la loro esperienza allo studio fondamentale della tecnologia dei motori CI, non c’è dubbio che saranno raggiunti ulteriori progressi.

In che modo il motore CI è diverso dal motore SI?

Ci sono diversi motivi per cui i motori CI sono così popolari nelle applicazioni commerciali e industriali. Un motivo importante è che l’efficienza intrinseca del carburante dei motori CI è superiore a quella dei motori SI. La natura dell’accensione per compressione fornisce alcuni fattori importanti che consentono un’elevata efficienza del carburante. Un fattore è il rapporto di compressione elevato (Gill et al., 1954). Poiché i motori CI si basano sul carburante iniettato nel cilindro e sulla miscelazione di questo carburante con l’aria, si evita il colpo del motore. Il knock del motore è una delle limitazioni principali al rapporto di compressione più elevato nei motori SI. Il secondo fattore è la necessità eliminata di strozzare il motore per controllare la potenza. Ancora una volta, poiché il carburante viene iniettato direttamente e miscelato nella camera di combustione, la potenza del motore CI può essere controllata semplicemente regolando la quantità di carburante che viene iniettata, a differenza dei motori SI in cui il carburante e l’aria sono premiscelati ed essenzialmente omogenei a un rapporto di miscela costante (Heisler, 1999). Ciò significa che per mantenere costante tale rapporto di miscela, se il carburante viene ridotto, anche l’aria deve essere ridotta nella stessa proporzione. Questa gestione dell’aria viene eseguita con una valvola a farfalla, o restrizione di aspirazione, e crea significativi scambi di gas o perdite di “pompaggio”. Il terzo fattore è il trasferimento di calore. I motori CI sono in grado di funzionare “carburante magro”, il che significa che il motore consuma tutto il carburante ma non tutto l’ossigeno presente nella camera di combustione. Ciò tende a produrre temperature inferiori nel cilindro e, di conseguenza, una minore reiezione del calore al liquido di raffreddamento del motore e allo scarico del motore e una maggiore efficienza. Come ulteriore vantaggio, la gamma o il rapporto di calore specifico Cp / Cv è più elevato per i motori a combustione magra rispetto ai motori che operano a stechiometria. Meno dell’energia termica generata dalle reazioni di combustione viene persa negli stati di eccitazione di specie triatomiche più grandi (vapore CO2 e H2O). Ciò significa che è disponibile più energia termica per aumentare la pressione e la temperatura del fluido di lavoro, che è ciò che crea lavoro che può essere estratto (Foster, 2013).

Tuttavia, ci sono anche diversi inconvenienti al motore CI che sono degni di menzione. Il motore CI deve essere progettato per essere molto robusto per gestire le pressioni e le temperature elevate create da rapporti di compressione elevati e pressioni di aspirazione potenziate. Questo produce disegni del motore che hanno inerzia ad alta rotazione e successivamente limita il regime massimo del motore. Inoltre eleva il costo, poiché tutto l’hardware deve essere molto resistente. Un altro inconveniente dei motori CI è la firma delle emissioni. La dipendenza dalla combustione controllata per diffusione significa che vi è una significativa stratificazione tra il carburante e l’aria, al contrario dell’omogeneità delle miscele benzina/aria nei motori SI. Questa stratificazione crea particolato (PM) e ossidi di azoto (NOx). Questi prodotti indesiderati della combustione CI sono stati scoperti come pericolosi per la salute e dannosi per l’ambiente. In sostanza, il tradizionale motore CI non ha un problema di efficienza, ha un problema di emissioni.

Che dire dei biocarburanti?

Gran parte del lavoro attuale e prevedibile nei motori CI sembra concentrarsi sull’uso di combustibili alternativi o anche più combustibili nel tentativo di mantenere l’alta efficienza (forse anche migliorarla) ma ridurre significativamente la firma delle emissioni nocive e la produzione di gas serra. I combustibili bio-derivati sono un approccio popolare, specialmente nelle economie in via di sviluppo, per contrastare la sfida dei gas serra e il costo delle importazioni di petrolio. I biocarburanti sono generalmente costituiti da un certo tipo di olio vegetale e trattati chimicamente per creare un prodotto che imita il gasolio del petrolio in molti modi. Diverse materie prime sono state utilizzate in questo modo, a seconda delle condizioni di crescita locali e delle colture che prosperano in tali condizioni. Gli oli di soia, colza, semi di palma, jatropha e karanja tra molti altri sono stati trasformati come combustibili. Generalmente, i biocarburanti di questo tipo sono separati in categorie, gli oli derivati da piante commestibili e quelli derivati da piante non commestibili. Chimicamente, il combustibile derivato dalle piante commestibili è più facile e più a basso costo da trasformare in combustibili. Tuttavia, questo può anche creare una sfida “cibo o carburante” nell’economia locale. I biocarburanti derivati da piante non commestibili sono più difficili e costosi da elaborare, ma tendono ad evitare la difficoltà di “cibo o carburante”. Una sfida al combustibile biodiesel tradizionale è che il combustibile stesso contiene ossigeno come parte della sua struttura. Questo combustibile ossigenato avrà un contenuto energetico significativamente ridotto rispetto al gasolio di petrolio. Le riduzioni del contenuto energetico sono generalmente dell’ordine del 7-8% in volume rispetto al diesel di petrolio. Questo porta a più volume di carburante consumato per la stessa quantità di energia erogata. Un lavoro più recente è stato fatto per quanto riguarda i combustibili derivati dalle alghe o algali, che offrono il potenziale per una resa molto maggiore rispetto ai biocarburanti tradizionali (Frashure et al., 2009). Un altro argomento di ricerca recente è la creazione di diesel” rinnovabile ” dalla lavorazione idrotermale o di altro tipo di materiale da biomassa per estrarre idrocarburi a catena lunga simili al gasolio di petrolio (Aatola et al., 2008). Il diesel rinnovabile non tende ad essere ossigenato, quindi il contenuto energetico tende ad essere lo stesso del diesel di petrolio. Ancora, un altro approccio alla creazione di gasolio da fonti rinnovabili e non rinnovabili utilizza un processo chiamato Fischer-Tropsch (FT), così chiamato dopo gli inventori tedeschi di questo processo nel 1930. combustibili FT sono derivati da metano, carbone gassificato, o biomassa gassificata per creare idrocarburi a catena lunga adatto per l’uso come combustibile. Diversi acronimi sono utilizzati per questo tipo di carburante, a seconda della materia prima. Gas-liquido (GTL), carbone-liquido (CTL) e biomassa-liquido (BTL) sono alcuni di questi acronimi. Il processo FT crea carburante diesel di alta qualità-alto grado di cetano, bassa viscosità, assenza di zolfo e alto contenuto energetico-ma il processo è anche complicato e costoso, almeno al momento attuale (Agarwal, 2004).

Qual è lo stato dell’arte per i motori CI?

I motori CI sono utilizzati in tutto il mondo come fonti di potenza motrice e stazionaria. Mentre le economie emergenti come l’India e la Cina aumentano la domanda di trasporto e di energia elettrica per soddisfare la domanda economica, ci sono serie domande sul futuro dei motori CI di fronte a una regolamentazione ambientale sempre più rigorosa, alla regolamentazione dei gas a effetto serra e alla domanda di combustibili fossili. Ci sono strategie che permetteranno al motore CI di evolversi per soddisfare queste richieste presenti e future del mercato?

Utilizzando il gasolio tradizionale, gli ingegneri hanno fatto alcuni interessanti progressi nel miglioramento dell’efficienza e nella riduzione delle emissioni impiegando tecnologie di iniezione avanzate come pompe ad alta pressione common rail, iniettori di carburante piezoelettrici, turbomacchine avanzate e recupero del calore di scarto (termoelettrici, ecc.), e quasi eliminazione dello zolfo nel gasolio. Il carburante può ora essere dosato in modo molto più preciso nella camera di combustione per creare eventi di combustione più fluidi e meno inquinanti. L’uso del ricircolo dei gas di scarico (exhaust) ha permesso agli ingegneri di ridurre la concentrazione di ossigeno dell’aria di aspirazione, fornendo temperature di combustione più basse con significative riduzioni di NOx. I progressi nel post-trattamento, come i filtri antiparticolato diesel (DPF), i catalizzatori DeNOx (sia riduzione catalitica selettiva che trappola snella) e i catalizzatori di ossidazione diesel (DOC), sono attualmente utilizzati nei moderni motori CI.

Il continuo lavoro di combustione avanzata ha generato interessanti opportunità nel miglioramento dell’efficienza del motore CI e nel miglioramento significativo della firma delle emissioni. Con il progredire della ricerca, è stato dimostrato che è possibile migliorare alcune premiscele di carburante e aria, pur mantenendo la capacità di controllare la potenza erogata dal carburante (nessuna limitazione) e mantenere un elevato rapporto di compressione. Ci sono una varietà di strategie che sono state impiegate per raggiungere questi obiettivi. Uno è l’uso di dual fuel, popolarmente noto come reattività controllata accensione per compressione (RCCI). In RCCI, un combustibile a bassa reattività (come benzina, etanolo o simili) viene iniettato nella camera di combustione come fonte primaria di energia e una quantità molto piccola di un combustibile ad alta reattività (come diesel, biodiesel, ecc.). Ciò non solo tiene conto la capacità di eseguire la magra del motore, che riduce le temperature di combustione di punta e migliora l’efficienza, ma inoltre fornisce una strategia dell’accensione positiva per evitare i misfires e mantenere l’alta robustezza. RCCI nei motori di ricerca ha dimostrato l’opportunità di raggiungere livelli molto elevati di efficienza (principalmente grazie a un trasferimento di calore ancora più ridotto rispetto alla combustione diesel tradizionale) e alla robustezza del controllo. Lo svantaggio principale di RCCI è il requisito di due iniettori per cilindro (uno per ciascun carburante) e l’obbligo di trasportare due combustibili separati o di trasportare un additivo che aumenta la reattività per il carburante a bassa reattività (Curran et al., 2013).

Un’altra entusiasmante opportunità nel mondo dei motori CI è l’uso di un carburante a bassa reattività (benzina, nafta, ecc.) rispetto al diesel, ma utilizza ancora un motore ad accensione spontanea e utilizza il lungo ritardo di accensione di questi combustibili per fornire un certo livello di premiscela pur mantenendo una stratificazione sufficiente per fornire il controllo del carico (Kalghatgi et al., 2007). L’accensione per compressione a benzina (GCI) o l’accensione per compressione parzialmente premiscelata (PPCI) cercano di raggiungere lo stesso obiettivo dell’uso del dual fuel, ma di farlo stratificando un carburante in modo preciso. Questo controllo dell’accensione può essere piuttosto impegnativo rispetto a RCCI, poiché dipende dalle mutevoli caratteristiche locali di miscelazione carburante/aria piuttosto che aggiungere positivamente un carburante ad alta reattività in un determinato momento. Il vantaggio è che è richiesto solo un carburante e un iniettore per cilindro.

In ciascuno dei casi per RCCI e PPCI, l’intento è quello di consentire che si verifichi una premiscela sufficiente affinché i livelli di PM siano bassi e di far funzionare la combustione magra o diluita abbastanza da mantenere temperature di combustione di picco inferiori a 2000K, evitando la produzione di NOx termici. La robustezza di questi nuovi approcci alla combustione e all’accensione è una sfida che viene affrontata da diverse organizzazioni di ricerca in tutto il mondo (Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

Cosa riserva il futuro ai motori CI?

Almeno a partire dal 2015, i motori CI detengono una posizione dominante nei mercati dei veicoli commerciali e dei veicoli fuoristrada. Poiché in tutto il mondo viene applicata una maggiore pressione normativa sulle emissioni di gas serra e sulla qualità dell’aria, i motori CI continueranno ad evolversi per soddisfare queste pressioni. La combinazione dell’alta densità di energia dei combustibili liquidi, unita all’alta densità di potenza dei motori CI e al costo di produzione molto basso, continuerà a rendere i motori CI una soluzione popolare per la produzione di energia motrice e stazionaria. Sono in corso interessanti ricerche in questo campo per migliorare l’efficienza, ridurre le emissioni, migliorare la tecnologia di post-trattamento del controllo delle emissioni e sono stati fatti enormi progressi. Tuttavia, sono necessari ulteriori progressi, poiché la popolazione mondiale supera i 7 miliardi di persone e la domanda di energia nei paesi in via di sviluppo sale alle stelle. Il modo in cui risolviamo le sfide del trasporto e dell’alimentazione nei prossimi decenni darà il tono alla nostra capacità come società di mantenere sia un ambiente abitabile che uno standard di vita accettabile per una popolazione in continuo aumento in tutto il mondo.

Dichiarazione sul conflitto di interessi

L’autore dichiara che la ricerca è stata condotta in assenza di rapporti commerciali o finanziari che potrebbero essere interpretati come un potenziale conflitto di interessi.

Riconoscimenti

Il manoscritto inviato è stato creato da UChicago Argonne, LLC, Operatore del Laboratorio Nazionale Argonne (“Argonne”). Argonne, un US Department of Energy Office of Science laboratory, è gestito sotto contratto no. DE-AC02-06CH11357. Il governo degli Stati Uniti conserva per sé, e per altri che agiscono per suo conto, una licenza mondiale non esclusiva e irrevocabile pagata in detto articolo per riprodurre, preparare opere derivate, distribuire copie al pubblico ed eseguire pubblicamente e mostrare pubblicamente, da o per conto del governo. Ciò non pregiudica i diritti di terzi di ripubblicare e ridistribuire secondo i termini CC-BY (www.creativecommons.org). L’autore vorrebbe riconoscere il sostegno finanziario del Dipartimento dell’Energia Office of Vehicle Technologies, Advanced Engine Combustion Program, gestito da Gurpreet Singh.