Frontiers in Mechanical Engineering

Introduction and Brief History of Compression Engines

Ever since Rudolf Diesel invented the internal combustion engine that would eventually bear his name, compression has been utilized as an effective and efficient means to initiate combustion in engines. Diesel usou óleos vegetais para inventar seu novo motor, uma vez que não havia infra-estrutura de petróleo para combustíveis na época. High-compression ratio to create the pressure and temperature required for auto-ignition was a hallmark of the compression engine. Foi também necessário um mecanismo para injectar directamente combustível na câmara de combustão. Com o passar do tempo, uma infra-estrutura de destilados de petróleo tornou-se disponível para combustíveis como a gasolina (para suportar motores de ignição por faísca), querosene e fuelóleo (casas de aquecimento), e, claro, gasóleo (Heywood, 1988).

as vantagens de usar ignição por compressão e injeção direta de combustível na câmara de combustão evidenciaram-se ao longo das próximas décadas de seu desenvolvimento. O motor de ignição por compressão precisa inerentemente de uma alta taxa de compressão para criar as condições necessárias para auto-ignição. Alta taxa de compressão é uma característica de projeto para melhorar a eficiência. Além disso, a ignição por compressão não precisava de qualquer estrangulamento para controlar a potência de saída do motor. A injeção direta do combustível para a câmara de combustão forneceu alta resistência para bater, o que limita a razão de compressão e, em última análise, a eficiência dos motores de ignição comandada. Uma vantagem adicional é que, sem qualquer limitação de knock, os motores de ignição por compressão podem ter um aumento generoso da pressão de admissão por turbocompressão, aumentando ainda mais a eficiência e a densidade de potência.Ao longo do caminho, muitos obstáculos tecnológicos foram encontrados e superados-tais como a capacidade de fabricar pistões e cabeças de cilindros que poderiam robustamente alcançar as razões de altas compressões necessárias para a auto-ignição diesel, prechambers que poderiam alavancar os injetores de relativamente baixa pressão disponíveis na câmara de combustão cheia de alta taxa de compressão, nova tecnologia de injeção de combustível com combustível de muito alta pressão para eliminar a necessidade de prechambers e permitir a injeção direta na câmara de combustão, e, finalmente, controles eletrônicos e atuadores para fornecer muito mais controles precisos de combustível, ar e emissões para atender às rigorosas exigências da regulamentação de emissões.

o estado atual dos motores de ignição por compressão

os motores de ignição por compressão são usados em uma variedade de aplicações comerciais e de consumo ao redor do mundo, alimentando dispositivos como grandes navios, locomotivas, caminhões comerciais, construção e Equipamentos agrícolas, geradores de energia, e até mesmo automóveis. Quase exclusivamente, estas aplicações utilizam combustível diesel para combustão. Um motor diesel depende da facilidade de auto-ignição do combustível, um engenheiro de propriedade química chamado número de cetano/Índice – uma métrica empiricamente derivada que descreve a facilidade de auto-ignição do combustível. O biodiesel também é utilizado em muitas aplicações, especialmente nas zonas rurais e nos países em desenvolvimento. O biodiesel é geralmente feito a partir de óleos vegetais que foram quimicamente processados para remover produtos de glicerina, deixando um éster metílico de ácido gordo (ou etil) (FAME). Biodiversos tentam imitar as propriedades do diesel e, embora possam ser usados como um substituto de combustível puro, são geralmente usados como um agente de mistura com diesel de petróleo.

existem duas abordagens primárias para o motor de ignição por compressão – o dois tempos e a arquitetura de quatro tempos. Motores de CI muito grandes (navio e locomotiva, em particular) tendem a ser de dois tempos, principalmente porque a velocidade do motor é limitada a baixas rotações por minuto (RPM). Os motores de ignição por compressão a dois tempos devem ter uma fonte externa de alimentação de ar, como um turbocompressor ou supercompressor (ou um híbrido de ambos, em alguns casos) porque o ar é forçado para a garrafa através de portas no invólucro da garrafa. A figura 1 mostra esta configuração. O escape é expelido através de um conjunto diferente de portas (versão com faísca inflamada) ou através de válvulas poppet na cabeça do cilindro (ver Figura 1). As portas de entrada de ar no invólucro do cilindro abrem quando o pistão cai abaixo deles no curso de potência, permitindo ar pressurizado e frio para o cilindro. À medida que o pistão vai em direção a BDC no curso de potência, as válvulas de escape na cabeça do cilindro começam a abrir e o escape quente começa a deixar o cilindro através das válvulas de escape montadas no topo. Como o pistão continua a dirigir-se para BDC, as portas de admissão no invólucro do cilindro aberto, permitindo o ar fresco para o cilindro, o que força o último do escape para fora das válvulas de escape superiores. Este processo de limpeza continua até que as válvulas de escape se fechem (em algum momento em torno da posição pistão em BDC). As portas de entrada ainda estão abertas, então o ar fresco continua para o cilindro a partir do ventilador, até que o pistão passa o topo das portas de entrada no forro, prendendo o ar no cilindro. Em seguida, este ar é aquecido e pressurizado até que o pistão está perto TDC. O injector de combustível cria um pulverizador de alta pressão no ar quente e comprimido, causando auto-ignição e combustão. O ciclo então começa de novo.

por outro lado, um motor de ignição por compressão de quatro tempos funciona induzindo o ar do colector de admissão para o cilindro durante o curso de admissão, TDC para BDC (ver Figura 2), em seguida, as válvulas de admissão fechar e o pistão, em seguida, se move de volta para TDC enquanto comprime o ar a temperatura e pressão elevadas. O injector pulveriza combustível para a câmara de combustão, a ignição ocorre e o pistão é forçado para baixo a alta pressão devido à combustão no que é chamado de curso de potência. Finalmente, as válvulas de escape abertas e o pistão retorna a TDC e força os produtos de combustão de escape para fora no curso de escape. O ciclo repete-se a partir daqui.

independentemente de o motor ser de dois ou quatro tempos, a intenção é criar ar de alta pressão e alta temperatura perto do final da parte de compressão do ciclo. O combustível injetado é então exposto ao ar de alta pressão e alta temperatura e auto-incendeia muito rapidamente. The delay between the injection of fuel and the auto-ignition is called as the ignition delay, which is typically a few crank angles. O combustível continua a ser injetado como um jato, que tem uma zona de reação na periferia do jato e a reação é controlada pela difusão do ar na zona de reação, juntamente com a difusão do combustível para fora da zona de reação. Este processo de difusão ocorre em milisegundos, enquanto as reações reais ocorrem na escala de tempo microssegundo, de modo que a mecânica dos fluidos de difusão estão controlando a taxa de reação.Foram despendidos esforços significativos de investigação para estudar as vias para melhorar a eficiência, assinatura de emissões, fiabilidade e potência dos motores de ignição por compressão. Empresas de fabricação, universidades e laboratórios de pesquisa emprestaram seus conhecimentos, equipamentos e instalações para o avanço da tecnologia de motores de IC. Alguns desses avanços incluem injeção direta (DI) para eliminar a necessidade de pré-escalas e reduzir a transferência de calor, diagnósticos ópticos para estudar a formação de poluentes em cilindros, capacidades avançadas de simulação computacional para prever e otimizar o desempenho do motor de ignição por compressão, esforço significativo para entender a química do combustível e composição para adaptar o funcionamento do motor de ignição para os combustíveis disponíveis localmente. Como engenheiros e cientistas continuam a aplicar sua experiência para o estudo fundamental da tecnologia de motores de IC, há pouca dúvida de que avanços adicionais serão alcançados.Como é que o motor CI é diferente do motor SI?

existem várias razões pelas quais os motores de ignição por compressão são tão populares em aplicações comerciais e industriais. Uma razão importante é a eficiência de combustível inerente dos motores de ignição por compressão é maior do que a dos motores de ignição por compressão. A natureza da ignição por compressão fornece alguns fatores importantes que permitem alta eficiência de combustível. Um factor é a elevada taxa de compressão (Gill et al., 1954). Uma vez que os motores de ignição por compressão dependem do combustível injectado no cilindro e da mistura deste combustível com o ar, o motor Bate é evitado. Knock do motor é uma das principais limitações para uma maior taxa de compressão em motores SI. O segundo fator é a necessidade eliminada de estrangular o motor para controlar a potência de saída. Mais uma vez, como o combustível é diretamente injetado e misturado na câmara de combustão, a potência do motor de CI pode ser controlada meramente ajustando a quantidade de combustível que é injetado, ao contrário dos motores de SI, onde o combustível e o ar são pré-misturados e essencialmente homogêneo em uma relação constante de mistura (Heisler, 1999). Isto significa que, para manter constante essa relação de mistura, se o combustível for reduzido, o ar também deve ser reduzido na mesma proporção. Este manejo de ar é feito com um acelerador, ou restrição de entrada, e cria perdas significativas de troca de gás ou “bombeamento”. O terceiro fator é a transferência de calor. Motores de CI são capazes de executar “lean de combustível”, o que significa que o motor consome todo o combustível, mas não todo o oxigênio presente na câmara de combustão. Isto tende a produzir temperaturas mais baixas no cilindro e, como resultado, menor rejeição de calor para o fluido de arrefecimento do motor e gases de escape do motor e maior eficiência. Como benefício adicional, a gama, ou razão de aquecimentos específicos Cp/Cv é mais elevada para motores de combustão fraca do que para motores que funcionam com estequiometria. Menos da energia térmica gerada pelas reações de combustão é perdida nos estados de excitação de espécies triatômicas maiores (CO2 e vapor H2O). Isto significa que mais da energia térmica está disponível para aumentar a pressão e a temperatura do fluido de trabalho, que é o que cria trabalho que pode ser extraído (Foster, 2013).

no entanto, existem também vários inconvenientes para o motor de CI que são dignos de menção. O motor de CI deve ser projetado para ser muito robusto para lidar com as pressões e temperaturas elevadas criadas por razões de alta compressão e pressões de admissão aumentadas. Isso produz projetos de motores que têm inércia de alta rotação e, posteriormente, limita a velocidade máxima do motor. Ele também eleva o custo, uma vez que todo o hardware deve ser muito durável. Outra desvantagem para os motores de ignição por compressão é a assinatura de emissões. A dependência da combustão controlada por difusão significa que existe uma estratificação significativa entre o combustível e o ar, em oposição à homogeneidade das misturas gasolina/ar nos motores SI. Esta estratificação cria partículas (PM) e óxidos de azoto (NOx). Estes produtos indesejáveis da combustão de IC foram descobertos como um perigo para a saúde e prejudiciais para o ambiente. Em essência, o motor de CI tradicional não tem um problema de eficiência, ele tem um problema de emissões.

e os combustíveis derivados de origem biológica?

grande parte do trabalho actual e previsível nos motores de ignição por compressão parece centrar-se na utilização de combustíveis alternativos ou mesmo de vários combustíveis num esforço para manter a elevada eficiência (talvez até mesmo melhorá-la), mas reduzir significativamente a assinatura de emissões nocivas e a produção de gases com efeito de estufa. Os combustíveis derivados de Bio são uma abordagem popular, especialmente nas economias em desenvolvimento, para combater o desafio dos gases de efeito estufa e o custo das importações de petróleo. Os biocombustíveis são geralmente feitos a partir de algum tipo de óleo vegetal e quimicamente processados para criar um produto que imita diesel de petróleo de muitas maneiras. Várias matérias-primas foram utilizadas desta forma, dependendo das condições de cultivo locais e das culturas que prosperam nessas condições. Soja, canola, sementes de Palma, óleos de jatropha e karanja, entre muitos outros, foram processados como combustíveis. Em geral, os biocombustíveis deste tipo são separados em categorias, os óleos derivados de plantas comestíveis e os derivados de plantas não comestíveis. Quimicamente, o combustível derivado de plantas comestíveis é mais fácil e menor custo para transformar em combustíveis. No entanto, isso também pode criar um desafio “alimento ou combustível” na economia local. Os biocombustíveis não comestíveis derivados de plantas são mais difíceis e dispendiosos de processar, mas tendem a evitar a dificuldade “alimentação ou combustível”. Um desafio para o biodiesel tradicional é que o combustível em si contém oxigênio como parte de sua estrutura. Este combustível oxigenado terá reduzido significativamente o conteúdo energético em comparação com o diesel de petróleo. Reduções de conteúdo de energia são geralmente na ordem de 7-8% em volume em comparação com diesel de petróleo. Isto leva a um maior volume de combustível consumido pela mesma quantidade de energia fornecida. Foi realizado um trabalho mais recente no que respeita aos combustíveis derivados de algas ou de algas, que oferecem o potencial para um rendimento muito maior do que os biocombustíveis tradicionais (Frashure et al., 2009). Outro tópico de pesquisa recente é a criação de diesel “renovável” a partir do hidrotermal ou outro processamento de material de biomassa para extrair hidrocarbonetos de cadeia longa semelhante ao combustível diesel de petróleo (Aatola et al., 2008). Diesel renovável não tende a ser oxigenado, de modo que o conteúdo de energia tende a ser o mesmo que para diesel de petróleo. No entanto, outra abordagem para a criação de combustível diesel a partir de fontes renováveis e não renováveis utiliza um processo chamado Fischer-Tropsch (FT), assim chamado após os inventores alemães deste processo em 1930. FT combustíveis são derivados de metano, carvão gasificado, ou biomassa gasificada para criar hidrocarbonetos de longa cadeia adequados para uso como combustível. Vários acrónimos são utilizados para este tipo de combustível, dependendo da matéria-prima. Gas-to-liquid (GTL), coal-to-liquid (CTL), and biomass-to-liquid (BTL) are a few of these acronyms. O processo FT cria combustível diesel de alta qualidade-alto índice de cetano, baixa viscosidade, sem enxofre e alto teor de energia-mas o processo também é complicado e caro, pelo menos no momento atual (Agarwal, 2004).

What is State-of-the-Art for IC Engines?

motores de CI são utilizados em todo o mundo como fontes de motivação e potência estacionária. À medida que as economias emergentes, como a Índia e a China, aumentam a sua procura de transporte e energia eléctrica para satisfazer a procura económica, existem sérias questões relativas ao futuro dos motores de ignição por compressão, face a uma regulamentação ambiental cada vez mais rigorosa, à regulamentação dos gases com efeito de estufa e à procura de combustíveis fósseis. Existem estratégias que permitirão que o motor de IC evolua para atender a estas demandas presentes e futuras do mercado?Usando o diesel tradicional, os engenheiros fizeram alguns avanços emocionantes na melhoria da eficiência e redução de emissões, empregando tecnologia de injeção avançada, como bombas de alta pressão ferroviárias comuns, injetores piezoelétricos, turbomáquinas avançadas e recuperação de calor residual (termoelétricos, etc.), e quase eliminação de enxofre no combustível diesel. O combustível pode agora ser muito mais precisamente metido na câmara de combustão para criar eventos de combustão que são mais suaves e menos poluentes. A utilização da recirculação dos gases de escape (EGR) permitiu que os engenheiros reduzissem a concentração de oxigénio do ar de admissão, proporcionando temperaturas de combustão mais baixas e reduções significativas de NOx. Os avanços no pós-tratamento, tais como filtros de partículas diesel (DPF), catalisadores deNOx (redução catalítica seletiva e colector lean) e catalisadores de oxidação diesel (DOC), são atualmente utilizados em motores de ignição por compressão modernos.

o trabalho de combustão avançada em curso tem gerado oportunidades emocionantes para a melhoria da eficiência do motor IC, bem como uma melhoria significativa na assinatura de emissões. À medida que a pesquisa progride, tem sido mostrado que melhorar alguma pré-mistura de combustível e ar, mantendo a capacidade de controlar a potência de saída por entrega de combustível (sem estrangulamento) e manter alta taxa de compressão é possível. Há uma variedade de estratégias que foram empregadas para alcançar esses objetivos. Um deles é o uso de combustível duplo, popularmente conhecido como ignição por compressão controlada por reatividade (RCCI). Em RCCI, um combustível de baixa reatividade (como gasolina, etanol ou similar) é injetado na câmara de combustão como a fonte primária de energia e uma quantidade muito pequena de um combustível de alta reatividade (como diesel, biodiesel, etc.). Isso não só permite a capacidade de executar o motor lean, que reduz as temperaturas de combustão de pico e melhora a eficiência, mas também fornece uma estratégia de ignição positiva para evitar falhas e manter alta robustez. A RCCI em motores de investigação demonstrou a oportunidade de alcançar níveis muito elevados de eficiência (principalmente devido a uma transferência de calor ainda mais reduzida do que a combustão diesel tradicional) e controlar a robustez. A principal desvantagem para a RCCI é o requisito de dois injetores por cilindro (um para cada combustível) e o requisito de transportar dois combustíveis separados ou transportar um aditivo redutor de reatividade para o combustível de baixa reatividade (Curran et al., 2013).

outra oportunidade emocionante no mundo dos motores de ignição por compressão é o uso de um combustível de baixa reactividade (gasolina, NAFTA, etc.) em comparação com o diesel, mas ainda usar um motor de arquitetura de ignição por compressão e utilizar o atraso de ignição longa destes combustíveis para fornecer algum nível de pré-mistura, mantendo ainda estratificação suficiente para fornecer controle de carga (Kalghatgi et al., 2007). Gasoline compression ignition (GCI) or partially premissed compression ignition (PPCI) attempt to achieve the same goal as RCCIs use of dual fuel but to do so by stratifying one fuel in a precise manner. Este controlo de ignição pode ser bastante desafiador em comparação com a RCCI, uma vez que depende das características locais de mistura combustível/ar em constante mudança, em vez de adicionar positivamente um combustível de alta reatividade em um determinado momento. A vantagem é que só é necessário um combustível e um injector por cilindro.

em cada um dos casos para RCCI e PPCI, a intenção é permitir a pré-mistura suficiente para que os níveis de PM sejam baixos e para operar a combustão magra ou diluída o suficiente para manter as temperaturas de combustão máximas abaixo de 2000K, evitando a produção térmica de NOx. A robustez destas novas abordagens à combustão e ignição é um desafio que está a ser abordado por várias organizações de investigação em todo o mundo (Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

What Does the Future Hold for IC Engines?

pelo menos a partir de 2015, os motores de ignição por compressão detêm uma posição dominante nos mercados de Veículos Comerciais e de veículos fora de Rodovias. À medida que mais pressão regulamentar for aplicada a nível mundial às emissões de gases com efeito de estufa e à qualidade do ar, os motores de ignição por compressão continuarão a evoluir para dar resposta a estas pressões. A combinação da elevada densidade de energia dos combustíveis líquidos, associada à alta densidade de potência dos motores de ignição por compressão e ao custo muito baixo de fabrico, continuará a fazer dos motores de ignição por compressão uma solução popular para a produção motriz e estacionária de energia. Tem vindo a decorrer uma investigação empolgante neste domínio para melhorar a eficiência, reduzir as emissões, melhorar a tecnologia de pós-tratamento do controlo das emissões, e têm sido feitos enormes progressos. No entanto, são necessários ainda mais progressos, à medida que a população mundial ultrapassa os 7 mil milhões de pessoas e que a procura de poder nos países em desenvolvimento aumenta vertiginosamente. A forma como resolvemos os desafios de transporte e de poder nas próximas décadas irá definir o tom para a nossa capacidade como sociedade de manter um ambiente habitável e um padrão de vida que seja aceitável para uma população cada vez maior em todo o mundo.

Declaração de conflito de interesses

o autor declara que a investigação foi conduzida na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

agradecimentos

o manuscrito submetido foi criado por UChicago Argonne, LLC, operador do Argonne National Laboratory (“Argonne”). Argonne, um departamento de energia dos Estados Unidos Escritório de laboratório de ciência, é operado sob contrato No. DE-AC02-06CH11357. O governo dos EUA mantém para si mesmo, e outros agindo em seu nome, uma licença paga não exclusiva, irrevogável em todo o mundo no referido artigo para reproduzir, preparar obras derivadas, distribuir cópias para o público, e executar publicamente e exibir publicamente, por ou em nome do Governo. Tal não afecta os direitos de terceiros de publicarem e distribuírem de novo ao abrigo dos termos CC-BY (www.creativecommons.org). o autor gostaria de reconhecer o apoio financeiro do Departamento de Energia Escritório de tecnologias de Veículos, Programa Avançado de combustão de motores, gerido pelo Sr. Gurpreet Singh.