El marco de regulación de emisiones globales, desde los estándares de bajo rendimiento de California hasta las propuestas Euro 7 de la Unión Europea, ha hecho oxidos de nitrógeno (NOx) el desafío de definición de los motores de encendido de chispa modernos. Mientras que el catalizador de tres vías (TWC) sigue siendo el dispositivo de post-tratamiento primario, su eficiencia en la reducción de NOx es muy dependiente de mantener una relación de escape de salida precisa.

Formación de NOx en los motores del ciclo otom

El sendero termal NOx

NOx no es un solo compuesto sino un término colectivo para el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2). En los motores del ciclo Otto, más del 90% del motor-out NOx se encuentra en forma de NO, que se produce principalmente a través del mecanismo térmico descrito por el mecanismo extendido Zeldovich.

  1. N2 + O ⁇ NO + N
  2. N + O2 ⁇ NO + O
  3. N + OH ⁇ NO + H

La primera reacción es el paso de velocidad y es altamente endotérmica, que requiere una energía de activación significativa. Esta energía se suministra con altas temperaturas de gas. La tasa de formación térmica NO sigue una relación exponencial tipo Arrienio con temperatura. En términos prácticos, esto significa que una vez que la temperatura en cilndro supera aproximadamente 1.800°C, la formación NO se acelera dramáticamente.

El papel de la relación de equidad y la limitación de la TWC

Aunque una mezcla de combustible de aire disminuye el consumo de combustible, aumenta simultáneamente la disponibilidad de oxígeno y la temperatura de combustión, lo que conduce a una mayor eficiencia de motor. Por el contrario, una rica mezcla enfría los productos de combustión a través de disociación endotérmica y el aumento del calor específico del exceso de combustible, suprimiendo NOx pero aumentando significativamente las emisiones de CO y HC.

Fundamentos de la recirculación de gases de escape

EGR desvía una parte controlada del flujo de escape del motor de vuelta al sistema de admisión. El gas recirculado consiste principalmente en nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O) - todos los cuales tienen mayores capacidades de calor específicas que el aire fresco que desplazan. Debido a que estos gases ya han sufrido combustión analógica, contienen muy poco oxígeno y no pueden soportar más oxidación.

Mecanismos de reducción de NOx vía EGR

La supresión de NOx por EGR es un resultado de tres efectos distintos pero sinérgicos. Entender estos mecanismos es fundamental para una calibración y diseño eficaz del sistema.

Efecto de la dilución térmica

El mecanismo dominante es térmico. El inerte CO2 y H2O en el flujo EGR poseen mayores capacidades de calor específicas (Cp) por masa de unidad en comparación con el N2 y O2 en el aire ambiente. Durante la compresión y combustión, esta masa térmica superior absorbe una mayor cantidad de calor dependiente de la oxidación del combustible.El resultado es una temperatura de gas quemada más baja para la misma cantidad de energía del combustible.

Efecto de desplazamiento de oxígeno

EGR desplaza una parte de la carga de consumo fresco, reduciendo efectivamente la presión parcial del oxígeno dentro del cilindro. Las tasas de reacción avanzada Zeldovich son directamente proporcionales a la concentración de oxígeno atámico. Al reducir la disponibilidad de oxígeno, se ralentizan los cinéticos químicos de la formación NO. Este efecto es particularmente impactante durante las primeras etapas de combustión cuando las temperaturas son más altas y el oxígeno es más abundante.

Química y Reducción de la Velocidad de la Llama

Un efecto terciario implica la interacción química directa de las especies EGR con el proceso de combustión. La presencia de vapor de agua puede promover la formación radical OH, que puede facilitar la reducción de NO que ya se ha formado. Además, la dilución disminuye la velocidad de la llama laminar. Una quemadura más lenta cambia la eliminación de la liberación de calor pico más adelante en el ciclo (hacia el centro de muerte superior), que reduce mecánicamente la presión de la presión y la reducción de la temperatura del motor.

EGR System Architectures for Otto Cycles

Los diseñadores de motores han desarrollado varias arquitecturas distintas para implementar EGR, cada una ofreciendo compromisos únicos entre coste, rendimiento, respuesta transitoria y complejidad de integración.

EGR interno mediante la medición de válvula variable

EGR interno se logra manipulando el período de solapamiento entre los eventos de válvulas de escape y ingesta. Al capturar gases residuales en el volumen de limpieza o re-aspirándolos desde el puerto de escape, el motor logra la dilución de carga sin hardware externo. Esta es una estrategia extremadamente rentable para la operación de carga ligera, donde la fracción de gas residual (RGF) puede oscilar entre el 5% y el 15%.

EGR de alta presión externa (HP)

El bucle HP EGR desvía el escape desde el torrente de turbocompresor hasta el río inferior del compresor (o el acelerador). Esta ruta corta proporciona una respuesta rápida y un embalaje compacto. La fuerza de conducción para el flujo es el diferencial de presión positiva entre el manifold de escape y el manifold de ingesta. HP EGR es altamente eficaz a través del rango de carga media pero se vuelve desafiante a alta presión.

EGR de baja presión externa (LP)

El GLP, también conocido como EGR de largo recorrido, utiliza el escape desde el catalizador de tres vías y el filtro de partículas. El gas se enfría e introdujo en el torrente del compresor de turbocompresor. Esta arquitectura proporciona una presión favorable diferencial a través de un rango de operación mucho más amplio, incluyendo altas cargas, permitiendo mayores tasas de EGR.

EGR (D-EGR)

Una variante avanzada de EGR, EGR Dedicado recorre toda la salida de escape de uno o más cilindros de regreso al manifold de toma. Estos cilindros dedicados operan a una relación de combustible aéreo más rica, produciendo un reformado rico en hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO).La introducción de hidrógeno, que tiene una velocidad de llama extremadamente alta, compensa el efecto de combustión-aceleración del motor FordGR, permitiendo que el rendimiento total de la arquitectura tolerar

EGR Cooling and Thermal Management

El refrigerador de gas recirculado es esencial para maximizar los beneficios de EGR. Sin refrigeración, el gas de escape caliente aumenta la temperatura de carga de ingesta, lo que contrarresta el beneficio de densidad y aumenta la propensión para el golpe. Un refrigerador EGR es un intercambiador de calor líquido a gas que reduce la temperatura del gas agotador a la temperatura del refrigerante del motor (normalmente 90–110°C).

Estrategias de gestión y control electrónico

La eficacia de un sistema moderno de EGR depende totalmente de la sofisticación de su lógica de control. La ECU debe medir precisamente el flujo de EGR a través de una amplia gama de velocidades y cargas de motor, mientras que simultáneamente se maneja el tiempo de chispa, inyección de combustible, aumento de turbocompresor y el tiempo de válvula variable.

Control de arranque cerrado y basado en modelos

Los sistemas EGR iniciales utilizan el control de apertura basado en la velocidad y la carga del motor. Los sistemas modernos emplean retroalimentación de cierre cerrado utilizando un sensor de presión diferencial en un orificio calibrado o, más comúnmente, una combinación de sensores de flujo de aire masivo (MAF) y múltiples de presión absoluta (MAP) para inferir la fracción EGR. Las estrategias basadas en modelos permiten que la ECU tome la velocidad de reducción óptima para cualquier modelo

Compensación transitoria y Phasing de arranque frío

El funcionamiento transitorio, como la aplicación de pedales acelerador, tiene un reto significativo. La apertura rápida de la válvula EGR puede provocar un retraso en el par, ya que el gas inerte desplaza carga fresca. Para evitarlo, el ECU normalmente cierra la válvula EGR durante eventos transitorios y modula la resistencia a la transmisión de pares.

Rendimiento de las operaciones y limitaciones prácticas

Mientras que EGR es una herramienta poderosa para la reducción de NOx y la mejora de la eficiencia, no es sin inconvenientes. La limitación física primaria es la estabilidad de la combustión. A medida que el EGR aumenta, el coeficiente de variación (COV) de presión efectiva indicativa (IMEP) aumenta. Un COV de IMEP superior al 3-5% es percibido por el conductor como la rugosidad del motor o el fuego.

Mitigación de cuello y articular la compresión superior Ratios

Una de las ventajas secundarias más significativas de EGR es su potente efecto anti-cnock. Knock es la auto-ignición de los gases finales por delante del frente de la llama, y es una barrera primaria para aumentar la relación de compresión y eficiencia térmica de los motores de encendido-espacia. Al diluir la carga y bajar la temperatura de la llama, EGR reduce drásticamente la reactividad de los motores de extremos, lo que es mucho más resistente a la compresión.

Impacto en las emisiones no no NOx

El efecto de la EGR en otros componentes de escape es nuble. Las temperaturas de combustión más bajas pueden suprimir la oxidación de CO y HC, lo que conduce a niveles de arranque más altos de estas especies. Sin embargo, debido a que el motor está operando en estequiométrico, el catalizador de tres vías es altamente eficaz para convertir estos niveles mayores, siempre que el catalizador sea cálido.

EGR en trenes eléctricos híbridos

La híbrida crea un entorno ideal para maximizar el potencial de EGR. En un híbrido completo, el motor eléctrico puede manejar las exigencias de par transito, permitiendo que el motor de combustión interna funcione en una ventana de carga de velocidad más estrecha y estable. En estas condiciones, el motor puede ser calibrado agresivamente con altas tasas de EGR para lograr la máxima eficiencia térmica, sin preocuparse por la capacidad de transmisión de torque [LT: 40%]

EGR en motores de combustible alternativo y futuros

Motores de combustión de hidrógeno

El rol del motor de combustión interna en un futuro descarbonizado depende en gran medida de su capacidad de funcionar con combustibles de cero carbono como el hidrógeno. Los ICE de hidrógeno enfrentan un desafío de combustión único: la alta velocidad de llama del hidrógeno y los amplios límites de inflamabilidad conducen a temperaturas extremadamente altas y, por consiguiente, los niveles de NOx muy altos de motor si se ejecutan en mezclas de escape reducen dramáticamente los límites de energía de energía de energía de lean.

Sintéticos y e-Fuels

Para combustibles sintéticos y combustibles electrónicos, que son químicamente similares a la gasolina convencional y el diesel, EGR seguirá desempeñando su papel establecido. La compatibilidad de los sistemas EGR con estos combustibles desplegables es bien entendida, y la tecnología seguirá siendo una piedra angular de su combustión limpia y eficiente en motores de encendido por chispa.

Conclusión

EGR de la tecnología de recirculación de gas en el motor del ciclo Otto ha evolucionado desde un simple, sin fiar de emisiones agregadas a un sofisticado subsistema multifuncional que es central al diseño moderno del motor. Al aprovechar las propiedades térmicas y químicas del gas de escape inerte, suprime la formación de NOx en el nivel físico del evento de combustión, al tiempo que proporciona resistencia esencial de golpes que permite una mayor compresión de sistemas térmicos